基于ABAQUS的某型機(jī)中機(jī)身假件工裝強(qiáng)度分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

陳程 王新峰

摘要：航空制造業(yè)中產(chǎn)品的質(zhì)量與工裝的設(shè)計(jì)制造密切相關(guān)，尤其是大尺寸、大噸位的工裝型架，設(shè)計(jì)制造周期緊張，批量小，試制成本高。以ABAQUS軟件為平臺(tái)，以某型機(jī)中機(jī)身假件工裝為例，采用S4R殼單元類型，簡(jiǎn)化了力學(xué)模型和邊界載荷條件，避免了復(fù)雜的接觸算法，并以初始強(qiáng)度分析結(jié)果為依據(jù)，對(duì)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，分析結(jié)果表明，優(yōu)化后的假件結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力由136.2MPa減少至57.14MPa，最大位移由4.7mm減少至1.58mm。

關(guān)鍵詞：假件工裝;ABAQUS;邊界載荷;殼單元

航空制造業(yè)中產(chǎn)品的質(zhì)量與工裝的設(shè)計(jì)制造密切相關(guān)，尤其是大尺寸、大噸位的工裝型架，設(shè)計(jì)制造周期緊張，批量小，試制成本高。因此通過CAE技術(shù)進(jìn)行的結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化，對(duì)提高工裝的安全系數(shù)，縮短研發(fā)周期，減少研發(fā)成本有著重要意義。圖1所示為某型機(jī)中機(jī)身假件工裝初始設(shè)計(jì)模型，該工裝主要由方鋼焊接框架、連接板和調(diào)姿接頭組成，工裝尺寸為8850mm×3680mm×400mm。該假件工裝主要用于模擬機(jī)身調(diào)姿對(duì)接過程，下端通過4臺(tái)數(shù)控定位器調(diào)姿來達(dá)到對(duì)接狀態(tài)，從而完成機(jī)身對(duì)接的假件模擬裝配。

結(jié)構(gòu)分析

力學(xué)模型

假件模型下側(cè)4處調(diào)姿接頭剛度相對(duì)整個(gè)假件框架較小，可以忽略不計(jì);方鋼圓角、螺栓等連接件及其連接孔對(duì)整個(gè)模型剛度影響不大，但會(huì)影響有限元分析中網(wǎng)格的質(zhì)量即會(huì)影響力學(xué)計(jì)算精度，因此在這里也做簡(jiǎn)化處理。因此可以這樣簡(jiǎn)化該工裝的力學(xué)模型，把調(diào)姿定位器對(duì)假件模型下側(cè)4處調(diào)姿接頭的支持力轉(zhuǎn)化為約束4處接頭連接墊板X/Y/Z三自由度的邊界條件，既避免了復(fù)雜的接觸算法，又能保證計(jì)算精度。

幾何模型

在進(jìn)行整體力學(xué)有限元分析時(shí)，此主體結(jié)構(gòu)為大跨度方鋼焊接，其結(jié)構(gòu)形式符合有限元計(jì)算中的殼單元特征，故采用殼單元，主體框架結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分單元尺寸為10mm。這里可以選擇在CATIA軟件中做模型簡(jiǎn)化，然后導(dǎo)入前處理軟件HyperMesh中抽取中面，將實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為殼模型，采用殼單元S4R對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖2。

材料模型

整個(gè)中機(jī)身假件采用Q235材料焊接而成，考慮自重影響，該材質(zhì)的材料屬性如表1所示。

邊界載荷

將配重塊轉(zhuǎn)換為2t重心點(diǎn)耦合與中間雙梁結(jié)構(gòu)受力面上，假件下側(cè)4處調(diào)姿接頭墊板限制X/Y/Z三自由度?？紤]假件框架的自重影響，施加自身的重力載荷，邊界載荷條件施加結(jié)果如圖3所示。

分析結(jié)果

建立一個(gè)靜力學(xué)分析步，并求解，為了更清楚的顯示變形情況，將變形顯示比例縮放至190倍，其應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果如圖4、圖5所示。由圖4、5可知，該假件的最大應(yīng)力為136.2MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.7mm，處于彈性變形范圍內(nèi)，雖然未達(dá)到Q235的屈服極限，但應(yīng)力、應(yīng)變過大不滿足使用需求。

優(yōu)化設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)優(yōu)化

以初步分析結(jié)果為依據(jù)，將2t配重塊分為兩個(gè)1t配重塊分別施加于假件兩端，并將假件框架中配重支撐結(jié)構(gòu)由中間改為兩端，中間連接結(jié)構(gòu)則改為單梁結(jié)構(gòu)，重新劃分網(wǎng)格，添加邊界載荷條件并提交計(jì)算。

對(duì)比分析

為了方便觀察變形情況，將變形顯示比例縮放至550倍，圖6為優(yōu)化后假件Miss應(yīng)力云圖，從圖中可以看出，最大應(yīng)力為57.14MPa，圖7為優(yōu)化后假件的位移云圖，從圖中可看出，最大位移為1.58mm，變形處于彈性變形內(nèi)，既滿足了工裝的安全設(shè)計(jì)要求，也沒有產(chǎn)生設(shè)計(jì)浪費(fèi)。

結(jié)語

根據(jù)產(chǎn)品假件的幾何與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用了S4R殼單元類型，簡(jiǎn)化了力學(xué)模型和邊界載荷條件，避免了復(fù)雜的接觸算法，以ABAQUS初始分析結(jié)果為依據(jù)，對(duì)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，分析結(jié)果表明，優(yōu)化后的假件結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力由136.2MPa減少至57.14MPa，最大位移由4.7mm減少至1.58mm。

通過ABAQUS的使用，避免了產(chǎn)品制造之后的二次更改與試驗(yàn)過程，縮短了產(chǎn)品制造周期，節(jié)約研發(fā)成本，提高了工裝的安全系數(shù)，對(duì)航空制造業(yè)工裝類產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。