一種基于Femap&NX Nastran 的接觸模型創建及分析

中航飛機漢中飛機分公司強度研究所 陜西 漢中 723000

1 概述

現代工程結構中,經常需要將兩個不同的零、部件通過接頭以螺栓、鉚釘等緊固件進行連接。這樣的工程結構進行有限元建模時,現行的有限元建模法對于連接往往普遍過于簡化,即連接區本來存在接頭等連接件,但在創建有限元模型時為了模型簡化或不關心連接區應力分布情況而不在有限元模型里體現接頭、緊固件等細節結構,再以連接區應力反算接頭、緊固件應力。這樣的模型,就數據完整性而言,建立時已經缺失關鍵數據,對于局部的計算而言,誤差也非常大,準確性也非常低。本例將采用一種固結法建立有限元模型,以某種撐桿結構的連接為例,從全新角度來處理連接件問題,依托Femap&NX Nastran有限元分析軟件,完整模擬接頭,精確區分模型各單元屬性,最大程度從模型整體性上反映出真實結構的載荷傳遞及應力狀況。323

2 撐桿結構

撐桿作為一種工程結構的關鍵構件,由蒙皮、隔板、型材等零、部件組成,撐桿主要作用是將重物托起,本例所示支撐為滿載狀態,撐桿上端連接重物,該重物幾何外形為扁平碟形體,撐桿下端通過若干接頭固定于地面設備上。本例所涉及的主要是撐桿下端與地面設備之間的接頭連接情況,上端重物主要用于當做外載,故應力分析時,僅對撐桿下端連接區進行分析。

撐桿長L=2000 mm,撐桿上端左、右側間距L1=800 mm,撐桿下端左、右側間距L1=1500 mm,左、右撐桿夾角約為α=15°,撐桿材料均為2A12,破壞強度σb=390 MPa,彈性模量E=70560 MPa,泊松比μ=0.3。接頭材料均為45A,破壞強度σb=600 MPa,彈性模量E=196000 MPa,泊松比μ=0.3。

撐桿有限元模型傳力路線分析如下:

1.撐桿為主承力結構;

2.撐桿內部為多墻結構形式,多墻結構形式僅承受平面結構;

3.撐桿兩側蒙皮和型材組成壁板結構,可抗彎曲;

4.撐桿與接頭側面之間用若干緊固件連接,僅傳載剪力;撐桿與接頭底面之間用大量緊固件連接,可傳載拉力、剪力。

撐桿結構如圖1所示。400

圖1 撐桿結構固定于地面固定設備(航向視圖)

3 撐桿有限元模型

Femap &NX Nastran作為一款功能強大的有限元處理軟件,在后處理方面能力強大,方便匯總各種應力數據,故本例采用該有限元軟件建立有限元模型,簡化及邊界條件:撐桿模型處理——型材、腹板、蒙皮按相應屬性分別簡化為bar單元、shear panel單元、plate單元;接頭模型處理——按厚度簡化為plate單元。接頭底面固定于地面,按Pinned約束處理。

撐桿有限元模型的重點在于撐桿與接頭側面之間的緊固件模擬,現行有限元法普遍有以下兩種:

1.模型不體現緊固件、連接件,僅以零、部件本體建模,這樣的簡化原則對于整體模型而言,可以滿足使用要求,但細節問題的處理并非最佳,對連接區的接頭、緊固件應力計算影響較大,且計算工作量加大,現行相當多的工程結構在有限元建模中采用這樣的結構簡化原則;

2.撐桿與接頭分別建模,撐桿與接頭連接的每個緊固件均按合適的剛度值模擬為Spring/Damper單元,即撐桿模型與接頭模型之間以Spring/Damper單元連接。該模型對于緊固件的應力計算精度較高,同時對于撐桿、接頭模型的應力分布也能給出較準確的結果,然而該模型最棘手的問題在于當緊固件數量多、排列密集時,模型連接區將需要細化,往往會引起局部應力過高,同時,過多的緊固件模擬也是一個比較耗時耗力的問題。

方法1優點是快捷,缺點是精度不高,不能完整反映真實結構,原始數據簡化掉造成數據缺失;方法2優點是對于細節的處理非常到位,能完整反映真實結構,但操作起來費時費力,同時,局部模型的過于細化往往會造成局部應力過高。

本例采用Glued接觸屬性模擬緊固件連接,Glued接觸屬性類似于粘接,在有限元模型里,可以將2個不同的平面單元/體單元模型進行粘接。按其計算方法可分為約束函數法、剛體對象法、拉格朗日乘數法。在定義接觸模型時,首先定義接觸屬性,選擇Connect→Connection Propert命令定義接觸屬性;接觸屬性定義了以后,需要定義接觸域,即需要對撐桿和接頭的接觸面域分別定義,選擇Connect→Connection Regions;分別定義接觸域后,需要將上述兩個接觸域定義為接觸對,通俗可理解為將兩個接觸域粘接起來,選擇Connect→Connectors,上述操作就是整個Glued屬性接觸基本操作。

Glued接觸屬性能巧妙的將2個不同的平面單元/實體單元進行粘接,且粘接面可以自由選擇,整個操作過程簡單,對比普遍的有限元連接模擬法,Glued屬性接觸優、缺點如下:

優點:1.Glued接觸屬性操作簡單,應用面廣,其不僅可用于模擬緊固件連接,更能模擬膠粘、焊接等多種不同類型的連接情況;

2.Glued接觸模型能反映出工程結構的真實情況,最大程度模擬工程結構的每個細節,在細節處理方面較真實、準確;

3.Glued接觸模型能避免出現大量緊固件需要模擬的情況,比如平板的對接等,對于受剪緊固件的內力計算,Glued接觸模型將非常高效,且準確性高。

缺點:1.Glued接觸屬性不適用于bar、rod單元,對于此類單元之間的連接件及緊固件,仍需采用之前的有限元法進行模擬;295

本模型所采用的來自撐桿上端重物過載,見表1,撐桿模型如圖2。1142

表1 模型總載荷

圖2 撐桿結構固定于地面固定設備模型(航向視圖)

4 結構強度分析

4.1 撐桿與接頭連接 撐桿下端通過蒙皮部分與接頭側面連接,蒙皮均簡化為plate單元,plate單元主要傳遞平面內載荷,包括軸向應力σx、切向應力σy、剪應力τxy,按照經驗公式,緊固件內力可用下式計算:

式中:F——線均布載荷,F單位為N/mm;

σ——正應力,σ單位為 MPa;

τ——剪應力,τ單位為 MPa;

L——緊固件間距,L單位為mm;

n——緊固N排。

撐桿與前、后接頭連接區的緊固件內力最大,接頭連接區厚度δ=6 mm,緊固件牌號HB1-103-8×L,191單元(右撐桿與后接頭連接區)處線均布載荷最大,Fmax=962.47 N/mm

緊固件最大間距Lmax=36 mm;緊固件布置共3排。

單個緊固件最大剪力Q單=962.47×36/3=11549.64 N

HB1-103-8×L螺栓單面破壞剪力[Q]=34320 N

滿足設計要求。271

4.2 接頭 本例主要關心接頭及接頭與撐桿連接的應力分布情況,模型里將接頭模擬為plate單元,取中面應力代表接頭連接區的應力。plate的中面應力為二向應力狀態,根據《飛機設計手冊 第9冊》,該應力狀態的安全裕度如下:

式中:M.S——安全裕度;

σv——plate中面VON MISES應力;

σb——接頭許用拉伸應力。

有限元分析結果,右撐桿內接頭靠后處σmax2=526.6 MPa。

滿足設計要求。158

5 結束語

現代工程結構的精密度越來越高,本例僅從一種撐桿的連接情況來分析這種Glued接觸模型,并給出最基本的模型建立規則及分析方法。有限元法是一種開闊的思路,讀者可根據自己的理解加以完善和改進。