基于飛機(jī)結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化和細(xì)節(jié)分析

楊克宏

摘要：近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的不斷提高，我國(guó)飛機(jī)制造事業(yè)也得到了明顯的發(fā)展和進(jìn)步，同時(shí)對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也提出了更多、更高的要求。而且飛機(jī)結(jié)構(gòu)不僅涉及多種部件，而且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和連接方式也非常復(fù)雜，我們運(yùn)用傳統(tǒng)的計(jì)算方法已經(jīng)無法符合當(dāng)前計(jì)算的基本要求，需要從飛機(jī)的整體結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)等各方面的應(yīng)力分布進(jìn)行考慮，盡可能的提升飛機(jī)的整體承載能力，實(shí)現(xiàn)我國(guó)飛機(jī)制造事業(yè)更好的發(fā)展?；诖?，本文通過對(duì)常用分析方法進(jìn)行探究，并相應(yīng)的分析飛機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和優(yōu)化細(xì)節(jié)。

關(guān)鍵詞：飛機(jī)結(jié)構(gòu)；整體優(yōu)化；細(xì)節(jié)

引言：飛機(jī)作為我國(guó)航空運(yùn)輸事業(yè)的重要工具，其制造和發(fā)展受到了社會(huì)的廣泛關(guān)注和高度重視。近年來，我們不斷加強(qiáng)飛機(jī)結(jié)構(gòu)和優(yōu)化細(xì)節(jié)的研究，運(yùn)用有限元法、ANSYS分析軟件等科學(xué)的方法，力求提升飛機(jī)的整體性能。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅可以改善飛機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，調(diào)整飛機(jī)應(yīng)力分布狀況，實(shí)現(xiàn)材料的合理布置，而且還能在提升材料利用率的同時(shí)，加強(qiáng)飛機(jī)的整體優(yōu)化質(zhì)量。

一、常用分析方法

（一）有限元法

有限元法主要就是一種運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行數(shù)值近似的方法，其可以通過對(duì)有限數(shù)目單元進(jìn)行離散來近似連續(xù)問題，是分析和判斷較為復(fù)雜性問題和結(jié)構(gòu)的一種有效工具。當(dāng)前，在飛機(jī)制造領(lǐng)域也廣泛的應(yīng)用到有限元法，并且能夠得出有關(guān)動(dòng)力學(xué)方面的滿意結(jié)果。具體來講，有限元法就是遵循力學(xué)所具有的虛功原理，通過變分法將飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)的物理方程、平衡方程以及幾何方程等成功的建立在離散化結(jié)構(gòu)的各個(gè)單元之上，這樣就可以順利獲取每一個(gè)單元的位移、應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果，從而進(jìn)一步了解飛機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和應(yīng)力狀況。

（二）ANSYS分析軟件

ANSYS軟件主要就是聲場(chǎng)、結(jié)構(gòu)、電磁場(chǎng)、融流體以及熱場(chǎng)等集于一體的有限元分析法，屬于一種較為大型的分析軟件，且具有較強(qiáng)的通用性，目前被廣泛的應(yīng)用到儀器儀表、電子、原子能、熱工、地質(zhì)以及生物醫(yī)學(xué)等多種工程的研究中去。其主要具有以下特點(diǎn)：（1）建模能力強(qiáng)。其依托自身就可以構(gòu)建較為繁瑣的幾何模型。（2）求解能力強(qiáng)。ANSYS軟件具有很多求解器，通常包括特征求解器、并行求解器、迭代求解器等。（3）網(wǎng)絡(luò)劃分具有智能性。ANSYS軟件可以結(jié)合幾個(gè)模型的基本特點(diǎn)自主產(chǎn)生有限元網(wǎng)格，并且可以方便用戶進(jìn)行自定義，有利于適應(yīng)網(wǎng)格的各種需求目。（4）優(yōu)化能力較強(qiáng)。ANSYS軟件具有加強(qiáng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)轱w機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供最佳方案。同時(shí)還可以優(yōu)化模型的外觀，實(shí)現(xiàn)材料的充分運(yùn)用。

二、飛機(jī)結(jié)構(gòu)分析

（一）機(jī)身

機(jī)身作為飛機(jī)結(jié)構(gòu)的主體，一般包括大梁、蒙皮、桁條以及隔框等部分，是用來承載物資和人員的，通常具有較大的使用空間，充分利用單位體積空間，可以提升機(jī)身的整體承載數(shù)量。但是，在這一結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)該保證連接的可靠性和安全性，安裝隔音設(shè)備和通風(fēng)設(shè)備，確保機(jī)身擁有廣泛的視野，這樣才能方便飛機(jī)進(jìn)行起落。

（二）機(jī)翼

機(jī)翼主要就是為飛機(jī)提供升力的部分，有利于飛機(jī)滾輪的操縱，一般包括翼根、翼尖、前緣以及后緣等四個(gè)部分，不僅可以保證飛機(jī)具有較強(qiáng)的操縱性和穩(wěn)定性，而且還有利于油箱、發(fā)動(dòng)機(jī)以及起落架等設(shè)備的安裝和應(yīng)用。

（三）尾翼

尾翼主要就是指飛機(jī)的尾部，通常是垂直尾翼和水平尾翼二者的統(tǒng)稱。其中垂直尾翼主要包括垂直安定面和方向舵兩個(gè)部分，讓飛機(jī)能夠在偏航操作中保持一定的靜穩(wěn)定性；水平尾翼主要包括水平安定面和升降舵兩個(gè)部分，讓飛機(jī)能夠在仰俯操作中保持一定的靜穩(wěn)定性。

（四）起落架

起落架主要就是指飛機(jī)在地面進(jìn)行起飛、著陸、滑行以及停放時(shí)所要用到的重力荷載和支撐裝置。一般包括后三點(diǎn)式、自行車式以及前三點(diǎn)式等三種布置形式。不僅可以承受飛機(jī)起飛、著陸以及停放時(shí)產(chǎn)生的重力，而且還能夠吸收和消耗掉飛機(jī)在著陸過程中產(chǎn)生的撞擊能量。

三、飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)的整體優(yōu)化和細(xì)節(jié)分析

（一）機(jī)翼整體優(yōu)化

（1）機(jī)翼有限元模型。飛機(jī)機(jī)翼主要是由外部蒙皮、展向構(gòu)件以及弦向構(gòu)件等部分組成，如圖1所示是機(jī)翼結(jié)構(gòu)的有限元模型。其中腹板取CTR_13單元、蒙皮取CQUAD；肋凸緣長(zhǎng)桁取ROD單元；支座和接頭等需要取BAR單元；前梁、前墻、主梁以及后梁等重要傳力構(gòu)件的緣條需要取BEAM單元。

（2）模型加載。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，對(duì)機(jī)翼結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載一般都是通過多點(diǎn)排的方法。主要思路為：在離氣動(dòng)點(diǎn)較近的部分多安排一些有限元節(jié)點(diǎn)，而離氣動(dòng)點(diǎn)較遠(yuǎn)的部分則是少安排一些有限元節(jié)點(diǎn)。如果氣動(dòng)點(diǎn)和有限元節(jié)點(diǎn)二者之間存在一條梁，其主要是將氣動(dòng)點(diǎn)一端當(dāng)做是懸梁臂，并且較為固定，而自由端的有限元節(jié)點(diǎn)在荷載Pj時(shí)產(chǎn)生的變形能則為，其中Lj和EI分別表示為虛設(shè)梁的長(zhǎng)度和剛度。將上式帶入到變形公式中可以得出，其中n表示為有限節(jié)點(diǎn)數(shù)。

（二）細(xì)節(jié)分析

（1）機(jī)翼結(jié)構(gòu)的對(duì)接接頭。在對(duì)機(jī)翼結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體優(yōu)化的過程中，我們能夠得到后主梁根部位置的彎矩，將彎矩加到機(jī)翼結(jié)構(gòu)的有限元模型上，能夠?qū)C(jī)翼與機(jī)身二者之間對(duì)接接頭進(jìn)行細(xì)節(jié)分析，一般包括彈塑性和接觸性分析兩種。為了進(jìn)一步提升細(xì)節(jié)分析的精確性，可以運(yùn)用CAD軟件進(jìn)行對(duì)接接頭的實(shí)體建模，然后在HyperMesh前處理軟件中構(gòu)建六面體網(wǎng)絡(luò)，最后在Marc分析軟件中對(duì)接觸表、材料以及邊界條件等進(jìn)行定義，并且實(shí)行仿真分析。

（2）主梁和蒙皮連接區(qū)。對(duì)優(yōu)化的主梁和蒙皮連接區(qū)采取網(wǎng)格重建的方法，構(gòu)建有限元模型，如圖3所示。其中主梁筋條和肋、緣條和蒙皮主要以三個(gè)方向進(jìn)行彈簧式的螺栓連接，彈簧剛度主要由螺栓材料和尺寸等來進(jìn)行確定。

（3）位移在機(jī)身和主梁二者之間的接頭處。在飛機(jī)整體結(jié)構(gòu)中，主梁接頭的下耳片和上耳片各設(shè)置兩個(gè)節(jié)點(diǎn)來確保三個(gè)方向的自由度，而在垂直耳片上設(shè)置兩個(gè)節(jié)點(diǎn)來確保其中兩個(gè)垂直方向的自由度。此外，模型荷載通常分為兩個(gè)部分，一方面來自于飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)模型中主梁和蒙皮連接區(qū)的荷載，另一方面來自于飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)模型中各有限元節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的荷載。

結(jié)論：總而言之，隨著時(shí)代的不斷發(fā)展和進(jìn)步，航空運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展步伐越來越快，為了進(jìn)一步提升飛機(jī)的整體性能，我們需要充分了解飛機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，通過先進(jìn)的有限元模型和ANSYS分析軟件來進(jìn)行計(jì)算，明確優(yōu)化設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)和方案，從整體和局部等各個(gè)方面來調(diào)整飛機(jī)結(jié)構(gòu)，最大限度的提升材料利用效率，增強(qiáng)飛機(jī)的整體承載能力，推動(dòng)我國(guó)航空運(yùn)輸事業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。