張友坡

摘要：文章對(duì)典型飛機(jī)艙門(mén)結(jié)構(gòu)的有限元仿真技術(shù)進(jìn)行了研究，使用MSC.PATRAN軟件建立了典型艙門(mén)主承力結(jié)構(gòu)的有限元模型，并用MD.NASTRAN軟件進(jìn)行了計(jì)算。文章包括艙門(mén)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介、主結(jié)構(gòu)受力情況分析、模型簡(jiǎn)化、載荷和邊界條件的施加、各類計(jì)算工況的定義與處理方法、特殊單元的原理與應(yīng)用等。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)艙門(mén)；有限元；結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)；PATRAN；模型簡(jiǎn)化；特殊單元

中圖分類號(hào)：TM273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）07-

1 問(wèn)題提出

飛機(jī)艙門(mén)是飛機(jī)上的運(yùn)動(dòng)功能部件，它的功能、使用壽命、安全性、維修性和可靠性，直接關(guān)系到飛機(jī)的出勤率和人員及貨物的進(jìn)出安全。若設(shè)計(jì)太弱，飛機(jī)在高空飛行時(shí)，可能發(fā)生艙門(mén)的意外打開(kāi)，將造成壓力艙泄壓，同時(shí)，嚴(yán)重影響飛行姿態(tài)，改變氣動(dòng)特性，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成飛機(jī)墜落解體；若設(shè)計(jì)過(guò)強(qiáng)，則會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)增重，影響飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。因此，先進(jìn)的結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。運(yùn)用結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)，可以準(zhǔn)確分析結(jié)構(gòu)每一部位的受力大小，從而對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，既保證了安全性，又減輕了不必要的重量。下面，本文結(jié)合一個(gè)典型的艙門(mén)結(jié)構(gòu)闡述這一技術(shù)的應(yīng)用。

2 艙門(mén)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

如圖1所示，艙門(mén)主承力結(jié)構(gòu)分類及功能如下：

（1）一張外蒙皮：用于承受內(nèi)外壓差載荷，并將載荷傳遞到連接的框、梁上。

（2）鈑金或機(jī)加的框：如圖中縱向結(jié)構(gòu)件，承受蒙皮傳來(lái)的剪力，也可以承受彎矩，并將載荷傳遞到橫梁上。

（3）輔框：用于安裝機(jī)構(gòu)件，并能在主承力件發(fā)生破損時(shí)將載荷分散傳遞。

（4）機(jī)加的橫梁：艙門(mén)的重要承力件，主要承受彎曲載荷，通過(guò)它將載荷傳到擋塊。

（5）上下端的小梁：增加局部剛度，緩解應(yīng)力梯度變化，承受邊緣蒙皮所受載荷。

（6）框、梁連接角片：將斷開(kāi)的框緣條連接起來(lái)，保持緣條傳力連續(xù)，并將載荷傳遞到梁緣條上。

（7）擋塊：用于承受整個(gè)艙門(mén)的載荷，通過(guò)接觸的機(jī)身?yè)鯄K傳遞到機(jī)身上，實(shí)現(xiàn)載荷平衡。

（8）導(dǎo)輪：主要用于導(dǎo)引運(yùn)動(dòng)，同時(shí)還可以像擋塊那樣承力（視設(shè)計(jì)要求）。

3 有限元法介紹

有限元法是結(jié)構(gòu)分析的重要手段，沖破了傳統(tǒng)工程梁理論采用平剖面假設(shè)的束縛，提高了復(fù)雜結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析的精度。建立有限元仿真模型是應(yīng)力分析的基礎(chǔ)，要獲得接近真實(shí)情況的應(yīng)力分布，必須簡(jiǎn)化出好的計(jì)算模型。使用有限元仿真技術(shù)，可以增加產(chǎn)品和工程的可靠性；在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題；經(jīng)過(guò)分析計(jì)算，優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低成本；縮短產(chǎn)品投向市場(chǎng)的時(shí)間；模擬試驗(yàn)方案，減少試驗(yàn)次數(shù)，從而減少試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)。

3.1 通用簡(jiǎn)化原則

在采用有限元素法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)十分注重模型簡(jiǎn)化、元素類型選擇、元素連接及邊界條件模擬等工作，這就要求把工程概念和有限元技術(shù)很好地結(jié)合起來(lái)。經(jīng)驗(yàn)表明，有限元建模應(yīng)遵循的一般準(zhǔn)則是：構(gòu)件的取舍不應(yīng)改變傳力路線；網(wǎng)格劃分應(yīng)適應(yīng)應(yīng)力梯度的變化，以保證數(shù)值解的收斂；元素的選取能代表結(jié)構(gòu)中相應(yīng)部位的真實(shí)應(yīng)力狀態(tài)；元素的選取應(yīng)反映節(jié)點(diǎn)位移的真實(shí)（連續(xù)或不連續(xù)）情況；元素的參數(shù)應(yīng)保證剛度等效；邊界約束的處理應(yīng)符合結(jié)構(gòu)真實(shí)支持狀態(tài)；集中質(zhì)量的應(yīng)滿足質(zhì)量、質(zhì)心、慣性矩及慣性積的等效要求；載荷的簡(jiǎn)化不應(yīng)跨越主要承力構(gòu)件。

3.2 特殊單元簡(jiǎn)介

在艙門(mén)有限元建模過(guò)程中大部分單元類型都是常用的，如CROD桿元、CQUAD板元、CTRIA3板元和CBAR梁元等。但是也存在一些特殊結(jié)構(gòu)、特殊的受力形式和特殊的研究目的所必須使用的一些特殊單元，主要有BUSH單元、RBE2單元和RBE3單元等。下面就針對(duì)這幾種特殊單元做一簡(jiǎn)介。

BUSH單元：在給它賦屬性之前，它只是一些普通的桿（節(jié)點(diǎn)重合，沒(méi)有長(zhǎng)度），但是通過(guò)一系列的屬性參數(shù)定義之后，它就成為了一個(gè)聯(lián)結(jié)兩個(gè)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜的彈簧-阻尼器系統(tǒng)。BUSH單元有6個(gè)不同自由度上的彈簧剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)，它可以傳遞6個(gè)自由度上的載荷。

RBE2單元：用來(lái)描述非常剛硬的結(jié)構(gòu)。作為一個(gè)十分簡(jiǎn)便的工具，其可將相同的單元?jiǎng)傂缘剡B接在一起。使用RBE2單元時(shí)，只能指定一個(gè)主節(jié)點(diǎn)。

RBE3單元：RBE3單元在分配載荷（力和力矩）方面是一個(gè)強(qiáng)有力的工具，主要應(yīng)用于載荷施加、不同類型單元之間的連接。在本文建模中，通過(guò)RBE3施加載荷，實(shí)現(xiàn)了采用在一個(gè)點(diǎn)加載，將載荷傳到周?chē)?jié)點(diǎn)上的功能。

4 建立艙門(mén)有限元模型

4.1 蒙皮

艙門(mén)蒙皮簡(jiǎn)化成CQUAD板元，具有彎曲屬性，厚度賦實(shí)際厚度。此類單元的計(jì)算結(jié)果可以得到拉力、壓力、剪流等相關(guān)數(shù)據(jù)。蒙皮的凸臺(tái)減去蒙皮厚度后，承受張力，故簡(jiǎn)化成CROD桿元。

4.2 艙門(mén)框、梁

艙門(mén)框、梁用板桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化。與蒙皮相連的外緣條用于承受蒙皮的剪流，為軸線方向，簡(jiǎn)化成CROD桿元，賦緣條的實(shí)際面積。腹板簡(jiǎn)化成CQUAD板元，厚度取實(shí)際厚度，如有開(kāi)口，則取當(dāng)量厚度。內(nèi)緣條（遠(yuǎn)離蒙皮的一端）主要承壓，加之框緣條為偏心結(jié)構(gòu)，故簡(jiǎn)化為CBAR梁元，賦實(shí)際屬性，設(shè)置偏心值。同時(shí)為了表征內(nèi)緣條的正應(yīng)力和軸力，建立一個(gè)虛桿元，面積賦0.001。

4.3 艙門(mén)擋塊和導(dǎo)輪

在艙門(mén)結(jié)構(gòu)中，擋塊和導(dǎo)輪是兩個(gè)很重要的部件，擋塊起到了限制門(mén)的位置并傳遞載荷的作用。導(dǎo)輪除了起門(mén)提升時(shí)的導(dǎo)向作用外，基于不同的設(shè)計(jì)要求，還可以作為破損擋塊來(lái)承擔(dān)載荷。所有的擋塊和導(dǎo)輪都需要建立一個(gè)單獨(dú)的局部坐標(biāo)系來(lái)定義其剛度方向。由于擋塊和導(dǎo)輪的剛度相對(duì)于相連的邊框（橫梁）非常大，故采用RBE2剛性單元進(jìn)行模擬，固定6個(gè)方向的自由度。艙門(mén)擋塊與機(jī)身?yè)鯄K的接觸，采用BUSH單元進(jìn)行模擬。在初期設(shè)計(jì)中，可以采取大剛度以求保守。

4.4 艙門(mén)開(kāi)口

艙門(mén)上的開(kāi)口主要有三處，分別是觀察窗、通風(fēng)口和手柄盒。手柄盒處有結(jié)構(gòu)件密封，可按正常簡(jiǎn)化方法進(jìn)行建模。對(duì)于觀察窗，窗玻璃通過(guò)密封設(shè)計(jì)壓在窗框上，窗框與周?chē)鷧^(qū)域的蒙皮通過(guò)鉚釘相連。這種結(jié)構(gòu)形式的載荷傳遞不直接，只能通過(guò)玻璃承受壓差，傳遞給窗框，再傳遞到蒙皮。由于玻璃不能獨(dú)立承載，因此需要把玻璃模擬成厚度為0.001的CQUAD虛板元，這些單元的作用是為了承受壓差載荷，用RBE2剛性單元把玻璃邊界上的力傳遞到中間節(jié)點(diǎn)上，再通過(guò)RBE3柔性單元把中間節(jié)點(diǎn)上的力傳遞到窗框上，通過(guò)這種方式，玻璃上受到的壓差載荷就傳遞到了蒙皮上。RBE2單元和RBE3單元在模型中完全重合，共用中間節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)對(duì)于RBE2是獨(dú)立節(jié)點(diǎn)，對(duì)于RBE3是非獨(dú)立節(jié)點(diǎn)。

窗框的簡(jiǎn)化非常簡(jiǎn)單，把整個(gè)窗框簡(jiǎn)化成若干CROD桿元來(lái)進(jìn)行模擬，桿元的面積取窗框結(jié)構(gòu)的實(shí)際截面面積。

通風(fēng)口受載傳力方式與觀察窗基本相同，故其簡(jiǎn)化建模方法與觀察窗相同，也是通過(guò)RBE2和RBE3兩個(gè)單元把載荷傳遞到蒙皮上。

4.5 艙門(mén)密封固定架

艙門(mén)密封固定架，下面為蒙皮，二者通過(guò)埋頭螺栓相連，增強(qiáng)了蒙皮的承載能力，因此選用蒙皮所用CQUAD單元簡(jiǎn)化，厚度取型材的腹板和蒙皮的厚度相加，可以理解為此處為一增厚蒙皮。

4.6 坐標(biāo)系

艙門(mén)有限元建模要用到三類坐標(biāo)系，分別為總體坐標(biāo)系，加載、約束坐標(biāo)系和節(jié)點(diǎn)局部坐標(biāo)系。總體坐標(biāo)系是最常用的坐標(biāo)系，為了模型裝配方便，節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)全部選用總體坐標(biāo)系。加載、約束坐標(biāo)系是為了加載、約束方便而建立的一類坐標(biāo)系。由于結(jié)構(gòu)的不同，需要在加載點(diǎn)或約束點(diǎn)建立特定方向或角度的坐標(biāo)系，以便在不同的方向或角度加載或約束。節(jié)點(diǎn)局部坐標(biāo)系為了讀取載荷和節(jié)點(diǎn)位移而建立的坐標(biāo)系，對(duì)于艙門(mén)，主要考慮在艙門(mén)周緣節(jié)點(diǎn)上建立，垂直于蒙皮方向。

4.7 載荷與約束

圖1中所示艙門(mén)為半堵塞式艙門(mén)，不參與傳遞機(jī)身的剪力及彎矩，因而載荷只有機(jī)艙內(nèi)外的壓差載荷，所以只需要施加均布?jí)翰钶d荷即可。

另外，該類艙門(mén)靠擋塊（還有導(dǎo)輪，取決于導(dǎo)輪的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是否允許其在正常飛行中接觸）來(lái)限制艙門(mén)在飛行中的位置，因此，邊界約束要加在擋塊（及導(dǎo)輪）上。邊界約束主要有兩種類型：一種是不賦初始位移，對(duì)要約束的自由度剛性約束；另外一種是把艙門(mén)模型裝配到全機(jī)有限元模型中，然后進(jìn)行全機(jī)有限元計(jì)算。從中讀出每個(gè)擋塊的各方向位移，作為初始條件賦到艙門(mén)模型上。

4.8 材料

建立材料屬性非常簡(jiǎn)單，但要注意必須賦密度屬性，以正確模擬艙門(mén)的慣性載荷。

4.9 載荷工況

半堵塞式艙門(mén)由于不參與總體受力，相對(duì)來(lái)說(shuō)，工況數(shù)量比較少。但是考慮到艙門(mén)的特殊性，結(jié)構(gòu)破壞有可能導(dǎo)致災(zāi)難性后果，因此，艙門(mén)載荷工況中相對(duì)于其他結(jié)構(gòu)增加了大量的破損工況。

國(guó)際上對(duì)于飛機(jī)艙門(mén)的破損工況定義意見(jiàn)還不統(tǒng)一，目前主要有兩種思想：一種是在飛行過(guò)程中艙門(mén)有一個(gè)擋塊破壞（如果導(dǎo)輪設(shè)計(jì)概念允許其一直接觸的話，也包括導(dǎo)輪），這樣對(duì)于每個(gè)門(mén)來(lái)說(shuō)有多少個(gè)擋塊（導(dǎo)輪）就有多少種破損工況；第二種是考慮到加工工藝、裝配誤差以及一些不可預(yù)知因素導(dǎo)致的艙門(mén)的梁框連接處受力時(shí)發(fā)生斷裂，從而導(dǎo)致某一段梁框不能傳遞載荷而造成了結(jié)構(gòu)的一部分失效?；谶@種思想，有多少個(gè)連接部位，就會(huì)增加多少個(gè)破損工況。這種思想導(dǎo)致的直接后果就是艙門(mén)重量增加。

為了安全起見(jiàn)，本文采用第二種思想選擇破損工況。

破損工況在有限元中的處理方法：例如對(duì)于工況FS-B2-F122，這個(gè)工況表示位于2號(hào)梁上，1號(hào)和2號(hào)框之間靠近2號(hào)框的位置發(fā)生主結(jié)構(gòu)破壞，可以理解為2號(hào)梁在該位置發(fā)生斷裂。在有限元模型中，需要考慮取消此處梁的承載能力，處理方法就是將有限元模型中此處的單元?jiǎng)h去。這些單元包括：1個(gè)CBAR單元及1個(gè)CROD單元（梁的內(nèi)緣條），該截面上的3個(gè)CQUAD板元（梁腹板）和1個(gè)CROD單元（表示梁的外緣條的單元）。需要注意的是，如果此處有表示蒙皮凸臺(tái)的CROD單元存在，需要保留該單元。因?yàn)槎x的結(jié)構(gòu)破損是發(fā)生在梁、框等主結(jié)構(gòu)上的，不發(fā)生在蒙皮上。

對(duì)于擋塊（或者導(dǎo)輪）的失效，處理方法類似，即把表示擋塊（導(dǎo)輪）的BUSH單元?jiǎng)h除。如果被刪除的BUSH單元上有飛機(jī)總體坐標(biāo)系Y方向（翼展方向）的剛度時(shí)，將該BUSH單元其余方向的剛度移到相鄰的擋塊上。

至此，艙門(mén)有限元模型建模完成，如圖2

所示：

5 計(jì)算

在有限元模型完成以后，經(jīng)過(guò)檢查（注意對(duì)BUSH單元、RBE2單元和RBE3單元一定不能進(jìn)行檢查重復(fù)節(jié)點(diǎn)操作，因?yàn)槿弑旧砭褪怯猛晃恢貌煌幪?hào)的節(jié)點(diǎn)建立的），設(shè)定好相關(guān)參數(shù)后就可以提交MD.NASTRAN進(jìn)行計(jì)算了。

對(duì)于艙門(mén)的有限元計(jì)算來(lái)說(shuō)，主要有兩種類型：一種是線型計(jì)算，使用SOL101求解器：另外一種是非線性計(jì)算，使用SOL106求解器。在NASTRAN的算法中，線性計(jì)算是基于小變形小應(yīng)變假設(shè)，而SOL106這種計(jì)算式基于大變形小應(yīng)變假設(shè)。兩種計(jì)算方式采用的理論假設(shè)不同，因而適用之處也有區(qū)別，本文采用SOL101求解器。由于本文重點(diǎn)在結(jié)構(gòu)仿真模型建立，因此計(jì)算結(jié)果此處不再列出。

6 結(jié)語(yǔ)

本論文旨在研究用有限元法進(jìn)行飛機(jī)艙門(mén)結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，完成的主要工作如下：對(duì)目前國(guó)際上常見(jiàn)艙門(mén)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、構(gòu)件布置、傳力路線分析、主要結(jié)構(gòu)失效形式等方面進(jìn)行了深入的研究；對(duì)有限元建模中使用的一些特殊單元進(jìn)行了闡述，對(duì)部分單元研究了其原理并結(jié)合具體結(jié)構(gòu)舉例加以說(shuō)明；對(duì)艙門(mén)主結(jié)構(gòu)中的各類構(gòu)件的模型簡(jiǎn)化進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，總結(jié)出了一套簡(jiǎn)化方法；對(duì)目前國(guó)際上關(guān)于艙門(mén)使用載荷工況的不同思想進(jìn)行了闡述

比較。

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（責(zé)任編輯：黃銀芳）