基于ABAQUS接觸算法結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

龔思楚，張憲政，梅李霞，黃曉霞，熊盼

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

基于ABAQUS接觸算法結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

龔思楚，張憲政，梅李霞，黃曉霞，熊盼

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

有限元建模通常采用固定約束或連接單元模擬典型連接結(jié)構(gòu)的緊固件，此模擬方式使得結(jié)構(gòu)支持剛度過硬，導(dǎo)致連接部位計算結(jié)果失真。基于ABAQUS軟件建立推力梁連接結(jié)構(gòu)有限元模型，采用接觸對模擬連接緊固件，進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，并將計算結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行對比，分析結(jié)果表明，連接結(jié)構(gòu)整體有限元模型能夠很好的模擬結(jié)構(gòu)支持剛度與受力情況，計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合。

ABAQUS；接觸分析；邊界非線性

0 引言

航空飛行器結(jié)構(gòu)中存在著大量的接頭、耳片等機(jī)加結(jié)構(gòu)，通過這些結(jié)構(gòu)傳遞集中載荷，其中推力梁傳遞推力及其慣性力，由于載荷作用大、結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中是最值得關(guān)注的結(jié)構(gòu)之一。

某型號飛機(jī)推力梁由于改型過程中載荷增大，對推力梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度計算時，應(yīng)力水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了材料強(qiáng)度許用值；如果要滿足強(qiáng)度要求，推力梁局部需加強(qiáng)到很厚；并會出現(xiàn)嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)連接剛度匹配問題，使得結(jié)構(gòu)裝配困難，而且結(jié)構(gòu)的傳遞路徑將發(fā)生變化。

結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析通常是通過固定約束或連接單元來模擬結(jié)構(gòu)的連接，但這些模擬方式使得結(jié)構(gòu)的邊界條件過于剛硬，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力集中，應(yīng)力水平偏高。而ABAQUS有限元分析軟件通過接觸算法能夠模擬結(jié)構(gòu)間的載荷專遞過程，本文通過建立推力梁連接結(jié)構(gòu)整體有限元模型，設(shè)置推力梁與連接件的接觸關(guān)系，解除固定約束導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)邊界條件過剛硬影響，求解推力梁在接頭載荷的作用下的應(yīng)力結(jié)果，將計算結(jié)果與實驗結(jié)果和固定約束模型計算結(jié)果進(jìn)行對比分析。

1 接觸分析過程

針對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析主要應(yīng)用的是線性分析方法，即外載荷與系統(tǒng)響應(yīng)為線性關(guān)系，但這種線性關(guān)系是一種理論上的近似，在實際結(jié)構(gòu)中，結(jié)構(gòu)的剛度會隨變形而發(fā)生改變，即非線性關(guān)系。其中接觸問題是一種典型的非線性問題，接觸體之間的接觸面積和壓力分布隨外載荷變化[1]。通過接觸條件，允許力從模型的一部分傳遞到另一個部分，只有當(dāng)兩個表面發(fā)生接觸時才會有約束產(chǎn)生，接觸面分開時，就不存在約束作用了[2]。

ABAQUS/Standard中接觸邏輯過程如圖1所示，在每個增量步開始時檢查所有接觸相互作用的狀態(tài)，以確定接觸面是開放還是閉合。ABAQUS/Standard對每個閉合面施加一個約束，然后求解器進(jìn)行迭代計算，并利用計算的修正值來更新模型的構(gòu)形[2]。ABAQUS可以自動選擇合適的載荷增量和收斂準(zhǔn)則，通過在分析過程中不斷調(diào)整參數(shù)，便可獲得精確的結(jié)果[3]。

圖1 接觸邏輯

2 有限元模型

推力梁連接結(jié)構(gòu)整體有限元模型如圖2所示，主要由推力梁、發(fā)動機(jī)安裝接頭、前后端框及連接件組成，其中發(fā)動機(jī)安裝接頭由安裝座、卡箍、銷子及活結(jié)螺栓組成。通過CAD軟件對推力梁連接結(jié)構(gòu)建立數(shù)字模型，通過數(shù)模接口導(dǎo)入ABAQUS有限元軟件中。由于分析主要關(guān)注推力梁應(yīng)力水平，為保證計算精度和減少計算工作量，保留了安裝節(jié)和推力梁結(jié)構(gòu)上的倒角而忽略了前后端框和連接型材上的倒角。

2.1 結(jié)構(gòu)材料屬性

推力梁連接結(jié)構(gòu)主要材料由鋁合金和高強(qiáng)度合金鋼組成，鋁合金材料屬性為彈性模量E= 61999MPa，泊松比υ=0.33。高強(qiáng)度合金鋼材料屬性為彈性模量E=206000MPa，泊松比υ=0.33。2.2邊界條件

圖2 推力梁連接結(jié)構(gòu)有限元模型

推力梁連接結(jié)果整體有限元模型邊界條件如圖2所示，模型中認(rèn)為推力梁周邊結(jié)構(gòu)對其支持剛度只在一定范圍有影響，模型中除推力梁及安裝節(jié)外，其他結(jié)構(gòu)只截取與推力梁連接部分；在截面上施加固定約束。根據(jù)試驗加載情況，發(fā)動機(jī)載荷施加在安裝節(jié)中心參考點上，參考點通過耦合約束與安裝節(jié)關(guān)聯(lián)起來。

有限元模型接觸類型為面接觸，接觸對屬性大部分為硬接觸，為控制部分單元剛體位移，部分接觸對定義摩擦接觸類型，摩擦系數(shù)取0.05。

3 結(jié)果與分析

圖3 試驗情況1梁體應(yīng)力云圖

選取4套推力梁靜力試驗情況載荷，施加在有限元模型參考點上，分別進(jìn)行計算，計算結(jié)果如圖3～圖7所示，推力梁靜力試驗中分別在梁體左右兩邊緣條外側(cè)各粘貼三片應(yīng)變片測量軸向拉（壓）應(yīng)力，如圖8所示；將模型計算結(jié)果與試驗測量結(jié)果進(jìn)行對比分析，分析結(jié)果如表1～表4所示。

圖4 試驗情況2梁體應(yīng)力云圖

圖5 試驗情況3梁體應(yīng)力云圖

圖6 試驗情況4梁體應(yīng)力云圖

如表1~表4所示，試驗情況1、4計算結(jié)果與試驗結(jié)果誤差較小，載荷情況2、3部分結(jié)果誤差偏大，原因主要為試驗情況1、4試驗載荷較嚴(yán)重，推力梁應(yīng)力水平高，而試驗情況2、3試驗載荷相對較小，應(yīng)力水平低，導(dǎo)致誤差率偏高；在相同試驗情況下，使用固定約束有限元模型進(jìn)行計算，相同位置處的應(yīng)力水平與試驗結(jié)果相差一個量級，如圖7所示，在試驗情況1工況下，固定約束模型梁體對應(yīng)1號、3號應(yīng)變片位置應(yīng)力結(jié)果分別為-172MPa、279MPa，與試驗結(jié)果相差很大，所以相對于固定約束模型，表2、3出現(xiàn)的誤差率是可接受的。

圖7 試驗情況1固定約束計算結(jié)果

圖8 試驗梁體應(yīng)變片粘貼位置示意

表1 試驗情況1對比結(jié)果

表2 試驗情況2對比結(jié)果

表3 試驗情況3對比結(jié)果

表4 試驗情況4對比結(jié)果

其次，推力梁安裝靜力試驗是在全機(jī)試驗機(jī)上進(jìn)行的，推力梁連接結(jié)構(gòu)有限元模型并不能完全模擬全機(jī)結(jié)構(gòu)對推力梁的支持剛度，而且有限元仿真計算是一種理想模型，與實際結(jié)構(gòu)的材料工藝品質(zhì)有一定的差別，也會導(dǎo)致計算結(jié)果與實驗結(jié)果產(chǎn)生一定的偏差。

4 結(jié)論

1）利用ABAQUS有限元分析軟件接觸算法針對推力梁連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度計算，通過與試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)推力梁連接結(jié)構(gòu)有限元模型能夠很好的模擬大型復(fù)雜連接結(jié)構(gòu)的受力形式，計算結(jié)果與實驗結(jié)果較為一致。

2）通過建立連接結(jié)構(gòu)的接觸約束來模擬主要結(jié)構(gòu)的支持約束，能夠真實反映支持結(jié)構(gòu)的支持剛度；通過誤差分析和與固定約束模型對比分析，發(fā)現(xiàn)接觸約束模型在計算誤差小，計算結(jié)果能反映結(jié)構(gòu)真實受力情況。

[1]石亦平.ABAQUS有限元分析實例詳解.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2]莊茁.基于ABAQUS的有限元分析和應(yīng)用.北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[3]張青峰，等.基于ABAQUS水下采油樹下入工具有限元接觸分析.機(jī)械工程師，2016.

[4]彭佑多.基于ABAQUS的碟式太陽能方位角驅(qū)動機(jī)構(gòu)蝸輪蝸桿接觸強(qiáng)度分析.湖南科技大學(xué)學(xué)報，2016.

[5]ABAQUS6.11User,Manual,ABAQUSInc,Province, RI,USA.2011.

[6]莊茁，張帆，岑松.ABAQUS非線性有限元分析與實例.北京:科學(xué)出版社，2005.

[7]Metallic materials and elements for aerospace vehicle structures,Department Of Defense Handbook, MIL-HDBK-5J,31 January 2003.

>>>作者簡介

龔思楚，男，1987年出生，2012年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)，工程師，現(xiàn)從事飛機(jī)強(qiáng)度設(shè)計工作。

Structure Strength Analysis Based on ABAQUS Contact Arithmetics

Gong Sichu,Zhang Xianzheng，Mei Lixia,Huang Xiaoxia,Xiang Pan

(AVIC-HONGDU,Nanchang,Jiangxi,330024)

Module establishment with finite element normally adopts fasteners with specific restriction or connecting unit to simulate the typical connection structure,this simulating method may result in the over hardness of the support rigidity of the structure and cause the distortion of calculation result at connecting portion.The finite element module of thrust-beam connecting structure setup on basis of ABAQUS software uses contact pairs to simulate the connection of fasteners,and accomplish the stress analysis on finite element so as to compare the calculation results and test results.The analysis result shows the integral finite element module of connecting structure can nicely simulate the structure support rigidity and force bearing condition,the calculation result is consistent with the test result.

ABAQUS;Contact analysis;Boundary nonlinearity

2016-10-21）