典型機(jī)翼結(jié)構(gòu)建模與有限元分析

郭俊毫

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所 民機(jī)全機(jī)靜力/疲勞強(qiáng)度研究室，陜西 西安 710065)

1 引 言

航空結(jié)構(gòu)大多數(shù)是復(fù)雜的組合結(jié)構(gòu)，例如，機(jī)身、機(jī)翼和起落架都是由成千上萬(wàn)個(gè)零件組成，力學(xué)特性復(fù)雜。如果用經(jīng)典的工程分析方法對(duì)某一結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、耗費(fèi)資源多，并且分析具有局部性。機(jī)翼是飛機(jī)上的重要部件，其主要作用是產(chǎn)生升力，可以布置油箱、掛載武器等。機(jī)翼在構(gòu)造上主要包括蒙皮和骨架結(jié)構(gòu)[1，2]。本文提供一種機(jī)翼建模及有限元分析方法，分析結(jié)果可為機(jī)翼優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

2 機(jī)翼有限元建模

2.1 機(jī)翼外形建模

機(jī)翼建模首先要確定機(jī)翼的截面和整體規(guī)格。機(jī)翼剖面選擇NACA 63-412。機(jī)翼的外形輪廓為后掠翼，前側(cè)后掠角28°，后側(cè)后掠角16°，翼展長(zhǎng)度5m，如圖1和圖2所示。機(jī)翼選擇雙梁?jiǎn)螇K式機(jī)翼，結(jié)合該型機(jī)翼的特點(diǎn)，布置前后2個(gè)梁，2個(gè)側(cè)邊加強(qiáng)肋，1個(gè)根肋，10個(gè)普通肋。

圖1 機(jī)翼的輪廓尺寸

圖2 機(jī)翼內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置

機(jī)翼有限元模型建模有兩種方法。一種是在三維設(shè)計(jì)軟件中建立機(jī)翼的形狀，并進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)?？紤]機(jī)翼長(zhǎng)桁較多，梁、加強(qiáng)肋有緣條，在三維軟件中建模時(shí)需畫出緣條截面形狀。三維實(shí)體進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，容易出現(xiàn)網(wǎng)格劃分不均勻現(xiàn)象。另一種為混合建模，在三維軟件中采用殼的形式建立機(jī)翼三維模型，將模型導(dǎo)入有限元分析軟件，借助有限元分析模塊，為蒙皮添加長(zhǎng)桁，為梁、加強(qiáng)肋添加緣條。

2.2 材料設(shè)置

通過(guò)查閱資料[3]可知，航空結(jié)構(gòu)中最常用的是高強(qiáng)鋁合金、鎂合金、鈦合金和鋼等材料，而鋁合金具有比合金鋼更高的比強(qiáng)度和比剛度，疲勞強(qiáng)度好，工藝性能好，在飛機(jī)各部件中均有應(yīng)用。為了簡(jiǎn)化分析流程，本次僅使用一種材料(LY-12)，其性能參數(shù)見表1。

表1 LY-12性能參數(shù)

2.3 典型結(jié)構(gòu)有限元屬性設(shè)置

對(duì)蒙皮的設(shè)置添加長(zhǎng)桁[4]。首先將上下蒙皮均分，這樣會(huì)生成分割線。先將分割線添加梁屬性，然后再為這些分割線添加橫截面，添加正確方向。添加長(zhǎng)桁后的機(jī)翼形狀如圖3所示。

圖3 添加長(zhǎng)桁后的機(jī)翼形狀

翼梁由緣條和腹板組成。在三維軟件中可以畫出殼結(jié)構(gòu)，在有限元軟件中添加梁緣條。翼肋分為普通肋與加強(qiáng)肋。對(duì)于普通肋，設(shè)置厚度為2mm。對(duì)于加強(qiáng)肋，添加緣條，并設(shè)置厚度為4mm。

3 機(jī)翼邊界條件

3.1 機(jī)翼的外載

機(jī)翼承受的載荷主要為氣動(dòng)載荷。氣動(dòng)載荷為分布載荷，直接作用在機(jī)翼表面，形成機(jī)翼的升力與阻力。機(jī)翼上連接有其他部件以及副翼、襟翼等各類附翼和布置在機(jī)翼內(nèi)外的各種載荷。由于這些部件都是以有限的節(jié)點(diǎn)與機(jī)翼主體結(jié)構(gòu)相連接，因此無(wú)論是飛機(jī)起落架傳來(lái)的力，還是副翼等翼面上的氣動(dòng)載荷以及機(jī)翼上各部件、裝載本身的結(jié)構(gòu)質(zhì)量力，都是通過(guò)接頭以集中載荷的形式傳遞給機(jī)翼。機(jī)翼本身結(jié)構(gòu)的質(zhì)量力為分布載荷，其大小與分布載荷情況取決于機(jī)翼結(jié)構(gòu)的質(zhì)量大小和分布規(guī)律。

3.2 機(jī)翼約束條件

機(jī)翼是一個(gè)薄壁盒段，即當(dāng)機(jī)翼受載時(shí)，合力點(diǎn)不在其剛心上，所以有垂直向上的趨勢(shì)，且有彎和轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)。其之所以沒有動(dòng)，是因?yàn)闄C(jī)身限制了它，亦即提供了約束(提供了支反力)。所以，可認(rèn)為機(jī)身是機(jī)翼的支持，機(jī)翼把載荷傳給機(jī)身，最后達(dá)到總體平衡。

對(duì)于雙梁?jiǎn)螇K式機(jī)翼，一般都有中央翼，此處的邊界條件為機(jī)翼側(cè)邊外翼根部與中央翼的連接。查閱資料可知，中、外翼對(duì)接時(shí)，在對(duì)接處將蒙皮通過(guò)螺栓接頭與中央翼連接，相當(dāng)于將外翼蒙皮與中央翼蒙皮連接在一起。由于根部有加強(qiáng)肋，機(jī)翼的翼梁、加強(qiáng)肋也是通過(guò)螺栓與中央翼連接，這相當(dāng)于在機(jī)翼根部添加了固定約束。在有限元分析軟件中添加載荷和約束，提交分析計(jì)算，得到計(jì)算結(jié)果。

4 有限元結(jié)果分析

機(jī)翼整體應(yīng)力分布如圖4所示。由于該類型機(jī)翼的蒙皮略厚，因此蒙皮可以承受一部分彎矩產(chǎn)生的軸向力。當(dāng)機(jī)翼受到垂直氣動(dòng)力時(shí)，上下壁板上的各縱向構(gòu)件(長(zhǎng)桁、梁的緣條)均受到拉壓應(yīng)力的作用。當(dāng)氣動(dòng)力產(chǎn)生的彎矩使機(jī)翼向上彎曲時(shí)，在機(jī)翼的根部將產(chǎn)生不同的位移，前梁部分變形大，后梁部分變形小，這樣必然導(dǎo)致其軸向拉壓剛度不同。而各縱向構(gòu)件所承擔(dān)的軸力按照其剛度分配，所以必然導(dǎo)致前梁附近總縱向構(gòu)件應(yīng)力較低，后梁部分縱向構(gòu)件應(yīng)力比較大。這種后緣應(yīng)力集中的現(xiàn)象，叫做后掠效應(yīng)。

圖4 機(jī)翼整體應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

蒙皮應(yīng)力云圖如圖5所示，可以看出，在機(jī)翼的翼根部分，蒙皮靠近后梁部分應(yīng)力較大，而靠近前梁部分應(yīng)力較小，這樣會(huì)對(duì)機(jī)翼的靠近后梁部分區(qū)域造成疲勞損傷。在設(shè)計(jì)蒙皮時(shí)，可以將此部分進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)置。

圖5 蒙皮應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

機(jī)翼的普通肋主要用于維持機(jī)翼的形狀，翼肋可以和梁腹板、機(jī)翼蒙皮組成翼盒承受剪力。普通肋應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖6所示，可以看出，在翼肋與機(jī)翼蒙皮的連接處，翼肋應(yīng)力較大，這主要是由于本次分析時(shí)沒有給普通肋添加緣條。因此，對(duì)于普通肋設(shè)計(jì)，必須添加緣條，并且翼肋中間部分厚度可以設(shè)置得略小些。

圖6 普通肋應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

對(duì)于本機(jī)翼，側(cè)邊加強(qiáng)肋與中央翼連接，因此在連接處會(huì)產(chǎn)生較大的力，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。由圖可知，該處的加強(qiáng)肋腹板可以設(shè)置比較厚。對(duì)于雙梁?jiǎn)螇K式機(jī)翼，側(cè)邊加強(qiáng)肋是重要的部件。在傳力時(shí)，側(cè)邊加強(qiáng)肋主要受剪，彎矩很小。因此，對(duì)于側(cè)邊加強(qiáng)肋的設(shè)計(jì)，緣條不需要很強(qiáng)，但是腹板要有足夠的厚度。為了提高側(cè)邊腹板的剪切穩(wěn)定性，腹板上一般有較密的加強(qiáng)型材。

圖7 加強(qiáng)肋應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

5 結(jié) 論

本文提供了一種混合建模方法，建立機(jī)翼有限元模型并進(jìn)行有限元分析。得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖后，分析元件的受力特點(diǎn)，結(jié)果可為二次優(yōu)化提供參考。根據(jù)應(yīng)力云圖，可以判斷應(yīng)力受力集中和容易破壞的部位，后續(xù)需要在相應(yīng)位置進(jìn)行加強(qiáng)。