韓斌慧，李占龍，王斌，楊保香

(1.西安航空職業(yè)技術學院 航空制造工程學院，陜西 西安 710089； 2. 陜西漢德森航空智造科技有限公司，陜西 西安 710089； 3. 太原科技大學 機械工程學院，山西 太原 030024； 4. 山西大同大學 機電工程學院，山西 大同 037003)

0 引言

印記面在有限元工程計算中具有十分重要的意義。鄭吉良[1]在對等腰梯形蜂窩芯玻璃鋼夾芯板三點彎曲有限元分析中對被測板上下表面、側(cè)面大量使用到印記面；徐燚偉[2]在對行星式變速箱超越離合器優(yōu)化設計時，為了更好模擬片彈簧與滾柱接觸位置也采用到印記面；許哲[3]等對碼垛裝備運動特性仿真時，采用印記面以運用剛?cè)峄旌蟿恿W方法提高分析精度；郭彬[4]等在對刮板輸送機圓環(huán)鏈進行現(xiàn)代化設計時，采用印記面精準定義了圓環(huán)鏈和鏈輪之間的接觸；王昌[5]等在運用瞬態(tài)動力學方法計算鋼卷和扇形板之間的壓力時用印記面施加運動副；鄭甲紅[6]等在對青核桃進行力學分析時采用曲線印記面模擬核桃兩半殼體結(jié)合處，以實現(xiàn)不同方向的加載；劉東[7]等在對激光切割集裝箱液袋閥門孔裝置的設計中，通過解凍水平方向的矩形管從而建立印記面，對裝置上的支架進行了強度校核，并實驗驗證了有限元分析結(jié)果的準確性；周文[8]等在重型貨車車架性能校核過程中，通過使用印記面對汽車行駛過程中滿載彎曲、滿載扭轉(zhuǎn)、滿載制動和滿載轉(zhuǎn)彎4種工況下的復雜應力狀態(tài)進行了精確分析。綜上所述，印記面除了可以限定加載區(qū)域、施力點位置、載荷的作用方向，提高計算精度外，在設置接觸狀態(tài)及進行特殊動力學仿真過程中具有重要的作用。上述研究中文獻[4-5] 印記面屬于規(guī)則的弧形表面，其余文獻側(cè)重于規(guī)則平面印記面設置，加載方式簡單。對于飛機制造業(yè)內(nèi)飾而言，多數(shù)表面屬于不規(guī)則光滑曲面，而適航規(guī)范中要求必須對光滑曲面進行局部強度校核。在此背景下如何使用空間印記面要復雜得多，鮮有相關文獻對空間印記面的設置、使用進行報道。結(jié)合某型飛機內(nèi)飾設計對該內(nèi)容進行了研究，整機大約30件曲面內(nèi)飾板均采用此方法校核強度，效率明顯提高，可為機械產(chǎn)品類似光滑曲面局部強度校核提供借鑒。

1 問題來源

飛機內(nèi)飾設計通常包含概念設計、詳細設計、試驗、制造、交付5個階段。概念設計由工業(yè)設計人員完成，其成果以內(nèi)飾效果圖體現(xiàn)；詳細設計是概念設計的“結(jié)構(gòu)化”實現(xiàn)，是在滿足適航要求和界面要求的前提下通過工程設計達到效果圖要求[9]。設計過程中按照協(xié)調(diào)美觀的原則設計裝飾板、儀表板、遮光板、座椅等詳細結(jié)構(gòu)。所有內(nèi)裝飾材料除符合FAA23(23部通用航空適航法規(guī))、CCAR-23R3(中國民用航空規(guī)章第23部)和HB5470-91(民用飛機艙內(nèi)非金屬材料燃燒性能要求)規(guī)定的阻燃、煙霧及毒性等指標要求外，同時應考慮降噪措施。尤其對于客艙內(nèi)裝飾的材料應確保環(huán)保、堅固、耐磨、耐潮濕、耐污染、耐老化和不易褪色。

圖1所示為某型飛機乘客艙左邊壁安裝位置示意及三維模型圖(僅示意內(nèi)飾板的安裝位置，三維圖和內(nèi)飾照片不存在嚴格對應關系)，計算對象的左邊壁跨機艙出口。由于該結(jié)構(gòu)主要由一些光滑曲面連接構(gòu)成，為建模方便選擇Catia軟件實現(xiàn)。圖中邊壁和機殼連接采用特殊膠接方式固定，工程設計完成后必須對膠接強度進行校核。設計規(guī)范為：可能與人體接觸的頂棚裝飾板、側(cè)壁裝飾板除要求與機艙內(nèi)形協(xié)調(diào)美觀外，在乘員可能碰到的任何區(qū)域，裝飾板在0.17 m×0.081 m范圍內(nèi)應承受1 334 N的垂直載荷。

圖1 某型飛機乘客艙左邊壁安裝位置示意圖

2 問題求解

對于該問題，最便捷的辦法是采用有限元軟件進行事前預測、根據(jù)預測結(jié)果進行結(jié)構(gòu)修改及設計優(yōu)化；將制造完成的內(nèi)飾件裝機后按照設計規(guī)范采用定值撞擊進行驗證，以對有限元分析結(jié)果進行檢驗。Ansys workbench軟件集建模、參數(shù)設置、分析計算和后處理功能于一身，使用操作直觀，因此選擇該軟件進行分析。

2.1 有限元模型創(chuàng)建

a) 實體模型導入、轉(zhuǎn)化

為了方便利用Ansys workbench的DM模塊進一步處理三維實體模型，Catia軟件建模完成輸出時保存成*.x_t的格式。在Ansys workbench中通過新建project菜單完成項目創(chuàng)建。并選擇分析類型，在新建項目窗口右擊Geometry選擇Import Geometry導入.x_t格式模型文件。在建模階段為了方便起見，與飛機機殼連接用的“幾”字形定位塊已經(jīng)與內(nèi)飾件設計成一體。為了正確設置印記面，在有限元分析中必須將所有的實體解凍，使得模型中的一個“Solid”分離成18個“Part”，否則后續(xù)設置無法進行。點擊Tools菜單選擇Unfreeze命令，將一個完整的體解凍。鑒于該零部件安裝好以后與乘客接觸最多的區(qū)域在圓形窗口的下方，同時圖示黑色色塊標注的位置相對最薄弱，因此選擇在此處建立印記面并計算強度，即符合民用航空設計規(guī)范。圖2所示為研究對象的有限元模型及擬設置空間印記面位置。

圖2 乘客艙左邊壁有限元模型及擬設置印記面位置

b) 印記面的創(chuàng)建方法

1) 印記面草圖生成

參考該內(nèi)飾件安裝位置，將視點正視于xy平面，以便于在xy平面上繪制產(chǎn)生空間印記面的原始草圖。草圖名稱采用默認值Sketch1，操作步驟及菜單選擇過程如圖3(a)所示，操作后生成的草圖尺寸為H2×V1=0.17m×0.081m，如圖3(b)所示。

圖3 有限元模型中印記面建立過程

2) 拉伸出空間印記面

在Tree outline中通過拉伸的方式生成印記面投影。參數(shù)設置及操作過程：點擊菜單欄Create，選中Extrude命令，按照圖4設置拉伸參數(shù)，尤其在Operation選項中必須選擇Imprint Faces，這是能否正確生成空間印記面的關鍵；在拉伸方向Direction選項中可以根據(jù)原始草圖所在的方向選擇Normal或者選擇Reversed，以觀察投影正確投射到曲面上為原則。

圖4 空間印記面生成過程

圖5 內(nèi)飾材質(zhì)結(jié)構(gòu)

2.2 設置材料參數(shù)

內(nèi)飾材質(zhì)按HB5435-1989.NH-1標準，選擇NH-1-1.83-48牌號蜂窩，材料總厚度3 mm，由面層和蜂窩芯組成復合材料，如圖5所示。其中面層采用無堿玻璃纖維布，產(chǎn)品牌號EW140-100Y(VN)，執(zhí)行標準Q/SHT07-2007，面層總厚度1 mm；蜂窩芯邊長1.83 mm的空心正六方體連片，厚度2 mm。復合材料整體材料密度48 kg/m3。彈性模量0.7 GPa，泊松比0.34[10]。

2.3 初始條件、邊界條件設置

所有內(nèi)飾板和機殼之間連接方式均如圖6所示，連接塊的兩個引腳固定在機殼內(nèi)表面；過渡支架實現(xiàn)了和內(nèi)飾板背面固定連接，連接塊和過渡支架之間采用螺栓連接。因此約束條件設置為：所有安裝塊2引腳定義為固定約束，如圖7所示。

圖6 內(nèi)飾板連接方式

圖7 施加固定約束

圖8是按照設計規(guī)范在印記面上施加1 334N的正壓力。由于模型多由光滑曲面組成，為了降低分網(wǎng)難度，提高計算精度，總體網(wǎng)格采用自由網(wǎng)格劃分方式，對于印記面網(wǎng)格采取局部細化，分網(wǎng)后的有限元計算模型共有60 482的節(jié)點及29 293個單元，如圖9所示。

圖8 施加局部載荷

圖9 有限元網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.4 分析結(jié)果

通過分析求解得到如下計算結(jié)果：圖10表示的是空間印記面局部加載后最大變形值，從圖中可見為5.201 7mm；圖11表示最大等效應力值為4.030 5e8 Pa。從圖示分析結(jié)果顯示，看最大變形值符合內(nèi)飾撓曲變形要求，但是等效應力值略顯偏大。為了安全起見，通過在內(nèi)飾板背部增加固定安裝塊的方式進行了重新優(yōu)化直至校核滿足要求為止。

圖10 變形值云圖

圖11 等效應力云圖

3 內(nèi)飾撞擊試驗

根據(jù)優(yōu)化后的設計結(jié)果完成內(nèi)飾件制造以后，采用0.17m×0.081m尺寸的尼龍材質(zhì)(尼龍的強度、硬度等指標接近于人體撞擊時的性能參數(shù))沖擊頭對內(nèi)飾件的不同部位進行了多點短時撞擊試驗，沒有出現(xiàn)內(nèi)飾板塑性變形、翹曲等現(xiàn)象，經(jīng)裝機使用滿足設計要求。

4 結(jié)語

通過借鑒平面印記面設置、使用技巧，在某型飛機內(nèi)飾設計過程中摸索出快捷、可靠的空間印記面設置流程，解決了曲面形狀局部載荷計算方面的相關問題，同時能夠直觀發(fā)現(xiàn)設計中的薄弱環(huán)節(jié)，及時完成設計優(yōu)化，而且經(jīng)實驗驗證了該方法的可行性。對于類似光滑曲面結(jié)構(gòu)件局部強度設計計算，具有重要意義。