一種基于Femap&NX Nastran 的接觸模型創(chuàng)建及分析

中航飛機(jī)漢中飛機(jī)分公司強(qiáng)度研究所 陜西 漢中 723000

1 概述

現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)中,經(jīng)常需要將兩個(gè)不同的零、部件通過接頭以螺栓、鉚釘?shù)染o固件進(jìn)行連接。這樣的工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模時(shí),現(xiàn)行的有限元建模法對(duì)于連接往往普遍過于簡(jiǎn)化,即連接區(qū)本來存在接頭等連接件,但在創(chuàng)建有限元模型時(shí)為了模型簡(jiǎn)化或不關(guān)心連接區(qū)應(yīng)力分布情況而不在有限元模型里體現(xiàn)接頭、緊固件等細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu),再以連接區(qū)應(yīng)力反算接頭、緊固件應(yīng)力。這樣的模型,就數(shù)據(jù)完整性而言,建立時(shí)已經(jīng)缺失關(guān)鍵數(shù)據(jù),對(duì)于局部的計(jì)算而言,誤差也非常大,準(zhǔn)確性也非常低。本例將采用一種固結(jié)法建立有限元模型,以某種撐桿結(jié)構(gòu)的連接為例,從全新角度來處理連接件問題,依托Femap&NX Nastran有限元分析軟件,完整模擬接頭,精確區(qū)分模型各單元屬性,最大程度從模型整體性上反映出真實(shí)結(jié)構(gòu)的載荷傳遞及應(yīng)力狀況。323

2 撐桿結(jié)構(gòu)

撐桿作為一種工程結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵構(gòu)件,由蒙皮、隔板、型材等零、部件組成,撐桿主要作用是將重物托起,本例所示支撐為滿載狀態(tài),撐桿上端連接重物,該重物幾何外形為扁平碟形體,撐桿下端通過若干接頭固定于地面設(shè)備上。本例所涉及的主要是撐桿下端與地面設(shè)備之間的接頭連接情況,上端重物主要用于當(dāng)做外載,故應(yīng)力分析時(shí),僅對(duì)撐桿下端連接區(qū)進(jìn)行分析。

撐桿長(zhǎng)L=2000 mm,撐桿上端左、右側(cè)間距L1=800 mm,撐桿下端左、右側(cè)間距L1=1500 mm,左、右撐桿夾角約為α=15°,撐桿材料均為2A12,破壞強(qiáng)度σb=390 MPa,彈性模量E=70560 MPa,泊松比μ=0.3。接頭材料均為45A,破壞強(qiáng)度σb=600 MPa,彈性模量E=196000 MPa,泊松比μ=0.3。

撐桿有限元模型傳力路線分析如下:

1.撐桿為主承力結(jié)構(gòu);

2.撐桿內(nèi)部為多墻結(jié)構(gòu)形式,多墻結(jié)構(gòu)形式僅承受平面結(jié)構(gòu);

3.撐桿兩側(cè)蒙皮和型材組成壁板結(jié)構(gòu),可抗彎曲;

4.撐桿與接頭側(cè)面之間用若干緊固件連接,僅傳載剪力;撐桿與接頭底面之間用大量緊固件連接,可傳載拉力、剪力。

撐桿結(jié)構(gòu)如圖1所示。400

圖1 撐桿結(jié)構(gòu)固定于地面固定設(shè)備(航向視圖)

3 撐桿有限元模型

Femap &NX Nastran作為一款功能強(qiáng)大的有限元處理軟件,在后處理方面能力強(qiáng)大,方便匯總各種應(yīng)力數(shù)據(jù),故本例采用該有限元軟件建立有限元模型,簡(jiǎn)化及邊界條件:撐桿模型處理——型材、腹板、蒙皮按相應(yīng)屬性分別簡(jiǎn)化為bar單元、shear panel單元、plate單元;接頭模型處理——按厚度簡(jiǎn)化為plate單元。接頭底面固定于地面,按Pinned約束處理。

撐桿有限元模型的重點(diǎn)在于撐桿與接頭側(cè)面之間的緊固件模擬,現(xiàn)行有限元法普遍有以下兩種:

1.模型不體現(xiàn)緊固件、連接件,僅以零、部件本體建模,這樣的簡(jiǎn)化原則對(duì)于整體模型而言,可以滿足使用要求,但細(xì)節(jié)問題的處理并非最佳,對(duì)連接區(qū)的接頭、緊固件應(yīng)力計(jì)算影響較大,且計(jì)算工作量加大,現(xiàn)行相當(dāng)多的工程結(jié)構(gòu)在有限元建模中采用這樣的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化原則;

2.撐桿與接頭分別建模,撐桿與接頭連接的每個(gè)緊固件均按合適的剛度值模擬為Spring/Damper單元,即撐桿模型與接頭模型之間以Spring/Damper單元連接。該模型對(duì)于緊固件的應(yīng)力計(jì)算精度較高,同時(shí)對(duì)于撐桿、接頭模型的應(yīng)力分布也能給出較準(zhǔn)確的結(jié)果,然而該模型最棘手的問題在于當(dāng)緊固件數(shù)量多、排列密集時(shí),模型連接區(qū)將需要細(xì)化,往往會(huì)引起局部應(yīng)力過高,同時(shí),過多的緊固件模擬也是一個(gè)比較耗時(shí)耗力的問題。

方法1優(yōu)點(diǎn)是快捷,缺點(diǎn)是精度不高,不能完整反映真實(shí)結(jié)構(gòu),原始數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化掉造成數(shù)據(jù)缺失;方法2優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于細(xì)節(jié)的處理非常到位,能完整反映真實(shí)結(jié)構(gòu),但操作起來費(fèi)時(shí)費(fèi)力,同時(shí),局部模型的過于細(xì)化往往會(huì)造成局部應(yīng)力過高。

本例采用Glued接觸屬性模擬緊固件連接,Glued接觸屬性類似于粘接,在有限元模型里,可以將2個(gè)不同的平面單元/體單元模型進(jìn)行粘接。按其計(jì)算方法可分為約束函數(shù)法、剛體對(duì)象法、拉格朗日乘數(shù)法。在定義接觸模型時(shí),首先定義接觸屬性,選擇Connect→Connection Propert命令定義接觸屬性;接觸屬性定義了以后,需要定義接觸域,即需要對(duì)撐桿和接頭的接觸面域分別定義,選擇Connect→Connection Regions;分別定義接觸域后,需要將上述兩個(gè)接觸域定義為接觸對(duì),通俗可理解為將兩個(gè)接觸域粘接起來,選擇Connect→Connectors,上述操作就是整個(gè)Glued屬性接觸基本操作。

Glued接觸屬性能巧妙的將2個(gè)不同的平面單元/實(shí)體單元進(jìn)行粘接,且粘接面可以自由選擇,整個(gè)操作過程簡(jiǎn)單,對(duì)比普遍的有限元連接模擬法,Glued屬性接觸優(yōu)、缺點(diǎn)如下:

優(yōu)點(diǎn):1.Glued接觸屬性操作簡(jiǎn)單,應(yīng)用面廣,其不僅可用于模擬緊固件連接,更能模擬膠粘、焊接等多種不同類型的連接情況;

2.Glued接觸模型能反映出工程結(jié)構(gòu)的真實(shí)情況,最大程度模擬工程結(jié)構(gòu)的每個(gè)細(xì)節(jié),在細(xì)節(jié)處理方面較真實(shí)、準(zhǔn)確;

3.Glued接觸模型能避免出現(xiàn)大量緊固件需要模擬的情況,比如平板的對(duì)接等,對(duì)于受剪緊固件的內(nèi)力計(jì)算,Glued接觸模型將非常高效,且準(zhǔn)確性高。

缺點(diǎn):1.Glued接觸屬性不適用于bar、rod單元,對(duì)于此類單元之間的連接件及緊固件,仍需采用之前的有限元法進(jìn)行模擬;295

本模型所采用的來自撐桿上端重物過載,見表1,撐桿模型如圖2。1142

表1 模型總載荷

圖2 撐桿結(jié)構(gòu)固定于地面固定設(shè)備模型(航向視圖)

4 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

4.1 撐桿與接頭連接 撐桿下端通過蒙皮部分與接頭側(cè)面連接,蒙皮均簡(jiǎn)化為plate單元,plate單元主要傳遞平面內(nèi)載荷,包括軸向應(yīng)力σx、切向應(yīng)力σy、剪應(yīng)力τxy,按照經(jīng)驗(yàn)公式,緊固件內(nèi)力可用下式計(jì)算:

式中:F——線均布載荷,F單位為N/mm;

σ——正應(yīng)力,σ單位為 MPa;

τ——剪應(yīng)力,τ單位為 MPa;

L——緊固件間距,L單位為mm;

n——緊固N(yùn)排。

撐桿與前、后接頭連接區(qū)的緊固件內(nèi)力最大,接頭連接區(qū)厚度δ=6 mm,緊固件牌號(hào)HB1-103-8×L,191單元(右撐桿與后接頭連接區(qū))處線均布載荷最大,Fmax=962.47 N/mm

緊固件最大間距Lmax=36 mm;緊固件布置共3排。

單個(gè)緊固件最大剪力Q單=962.47×36/3=11549.64 N

HB1-103-8×L螺栓單面破壞剪力[Q]=34320 N

滿足設(shè)計(jì)要求。271

4.2 接頭 本例主要關(guān)心接頭及接頭與撐桿連接的應(yīng)力分布情況,模型里將接頭模擬為plate單元,取中面應(yīng)力代表接頭連接區(qū)的應(yīng)力。plate的中面應(yīng)力為二向應(yīng)力狀態(tài),根據(jù)《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè) 第9冊(cè)》,該應(yīng)力狀態(tài)的安全裕度如下:

式中:M.S——安全裕度;

σv——plate中面VON MISES應(yīng)力;

σb——接頭許用拉伸應(yīng)力。

有限元分析結(jié)果,右撐桿內(nèi)接頭靠后處σmax2=526.6 MPa。

滿足設(shè)計(jì)要求。158

5 結(jié)束語

現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)的精密度越來越高,本例僅從一種撐桿的連接情況來分析這種Glued接觸模型,并給出最基本的模型建立規(guī)則及分析方法。有限元法是一種開闊的思路,讀者可根據(jù)自己的理解加以完善和改進(jìn)。