隨機(jī)間隙條件下承載式風(fēng)擋有限元仿真分析

郝林,陳子雄

(上海飛機(jī)設(shè)計研究院,上海 201210)

0 引言

飛機(jī)風(fēng)擋結(jié)構(gòu)是駕駛艙一個非常重要的功能部件,它不僅為飛行員提供清晰的外界視角功能還承受外界載荷并保證結(jié)構(gòu)的安全完整,直接關(guān)系到飛機(jī)的飛行安全[1]。目前主流的民用飛機(jī)風(fēng)擋結(jié)構(gòu)主要有兩種結(jié)構(gòu)形式:承載式風(fēng)擋和非承載式風(fēng)擋[2]。非承載式風(fēng)擋由于采用開口式設(shè)計,風(fēng)擋本身不參與機(jī)身載荷的傳遞,僅承受氣密載荷,結(jié)構(gòu)相互作用且不存在內(nèi)力耦合,可分別對風(fēng)擋和機(jī)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,對于結(jié)構(gòu)符合性驗(yàn)證顯得較為簡單[3]。而非承載式風(fēng)擋開口造成了原有連續(xù)結(jié)構(gòu)的傳力路徑發(fā)生中斷,因此這種結(jié)構(gòu)對窗框周圍結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求比較高,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)顯得比較笨重。承載式風(fēng)擋即風(fēng)擋也參與機(jī)身結(jié)構(gòu)的傳力,由于風(fēng)擋對窗框的加強(qiáng)作用,座艙蓋區(qū)域傳力路徑連續(xù),對飛機(jī)窗框強(qiáng)度需求相對較弱,可極大地減輕窗框結(jié)構(gòu)質(zhì)量。然而承載式風(fēng)擋需要參與結(jié)構(gòu)傳力,風(fēng)擋與窗框之間的剛度匹配關(guān)系、連接方式均需要經(jīng)過精心設(shè)計,且由于內(nèi)力耦合現(xiàn)象也需要對相應(yīng)的組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,諸多因素的耦合對該類型風(fēng)擋結(jié)構(gòu)的符合性驗(yàn)證提出很高的要求[4]。我國自研大型民用飛機(jī)風(fēng)擋即采用承載式風(fēng)擋設(shè)計,有效地降低了結(jié)構(gòu)質(zhì)量,提升了飛機(jī)性能[5]。

為了便于風(fēng)擋結(jié)構(gòu)的維護(hù)與拆卸,飛機(jī)風(fēng)擋與窗框骨架連接采用間隙配合裝配方式。由于承載式風(fēng)擋需要傳遞機(jī)身載荷,風(fēng)擋與窗框的邊界條件對結(jié)構(gòu)的傳力也存在影響[6]。考慮到裝配制造差異,本文基于有限元仿真方法研究間隙配合的離散性對承載式風(fēng)擋的影響。

1 承載式風(fēng)擋精細(xì)有限元模型

本文基于某型民用飛機(jī)全機(jī)精細(xì)有限元模型[7]在1倍氣密載荷工況下的分析結(jié)果,利用HyperMesh軟件FBD(free body displacement)功能截取出風(fēng)擋子模型作為本文研究對象,如圖1所示。風(fēng)擋有限元模型具有2塊主風(fēng)擋以及2塊側(cè)風(fēng)擋。所截取子模型規(guī)模具有461 440個單元,其中風(fēng)擋與風(fēng)擋窗框連接區(qū)共有514個緊固件單元,所有緊固件均采用CARTESIAN、CARDAN建模。

圖1 某型民機(jī)承載式風(fēng)擋有限元模型

2 間隙配合緊固件的柔度參數(shù)分析

本文首先需要對裝配孔間隙配合緊固件柔度參數(shù)進(jìn)行研究。為此,基于承載式風(fēng)擋實(shí)際結(jié)構(gòu)建立了考慮接觸效應(yīng)的單釘雙層細(xì)節(jié)有限元模型進(jìn)行分析(圖2)。模型外載荷單方向受40MPa均布載荷作用,另一端固支約束。模型兩兩相連接的零件界面均設(shè)置法向“hard contact”接觸模型,緊固件預(yù)緊力為10 675N,界面摩擦因數(shù)取0.15。其中上板材料為鋁2024,下板材料為鋁7085,板間用單個鈦6AL-4V螺栓連接,具體的材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

圖2 間隙配合緊固件的柔度參數(shù)分析有限元模型

緊固件裝配孔考慮表2中給出的6種間隙情況,以下板緊固件孔位作為參考,其中配合1與配合2考慮兩種極端螺栓圓心偏距,配合1與配合3—配合6情況為在最大螺栓圓心偏距條件下不同的偏心角度情況。

表2 配合關(guān)系

表2中上板孔圓心偏心角度表示上板圓心偏距與外載荷方向夾角,螺栓圓心偏離角度類似。在外載荷作用下,裝配間隙r可根據(jù)式(1)計算得出。

r=ds-d1+rs×cosθ1=0.35+0.29×cosθ1

(1)

圖3為配合4情況下釘孔內(nèi)部示意圖。圖4為配合1情形下的所得位移-載荷響應(yīng)曲線,其中位移為加載端沿加載方向的位移,載荷為加載端合力。ab階段隨著載荷逐步加載,上板沿著載荷方向產(chǎn)生剛體位移直至緊固件側(cè)面與上板孔內(nèi)壁完成接觸,此時,緊固件側(cè)面與下板孔內(nèi)側(cè)無接觸發(fā)生。隨著載荷施加,上板及緊固件在外力作用下一起進(jìn)行剛體運(yùn)動直至緊固件側(cè)面與下板孔內(nèi)表面接觸(bc階段)。隨后整體在外載下一起發(fā)生變形(cd階段),位移-載荷響應(yīng)也呈線性狀態(tài),斜率為緊固件柔度。若忽略ac階段響應(yīng),配合1情況下結(jié)構(gòu)的位移-載荷響應(yīng)可近似等效為雙線性響應(yīng)。采用線性回歸法對cd階段擬合,曲線拐點(diǎn)對應(yīng)的橫軸值與模型間隙尺寸相同。圖5為不同間隙下的位移-載荷響應(yīng)曲線。結(jié)果表明:6種間隙條件下的位移-載荷具有相似的響應(yīng)過程,而配合2與配合5情況的計算結(jié)果基本一致,且兩不同間隙配合條件下,緊固件柔度響應(yīng)與緊固件運(yùn)動路徑無關(guān),僅與緊固件軸心在沿外載荷方向直線位移有關(guān)。

圖4 配合1下的位移-載荷響應(yīng)曲線

圖5 不同配合情況位移-載荷響應(yīng)

因此根據(jù)以上仿真分析總結(jié),可近似得到風(fēng)擋間隙配合緊固件連接結(jié)構(gòu)有限元模型在受外載荷作用下緊固件柔度響應(yīng)規(guī)律如下:

1)緊固件的柔度近似呈雙線性階段,即間隙位移階段和接觸后非間隙柔度階段;

2)雙線性模型轉(zhuǎn)折點(diǎn)位移即為間隙在外載荷方向上的直線位移。

3 考慮隨機(jī)間隙的承載式風(fēng)擋精細(xì)有限元模型仿真分析

在風(fēng)擋精細(xì)有限元模型中對緊固件模型作以下處理:1)緊固件柔度線性分為兩段,即間隙位移階段和接觸后非間隙柔度階段;2)各緊固件與結(jié)構(gòu)的接觸過程是一個互相影響的混沌過程,本文通過緊固件柔度位移隨機(jī)模式直接反映釘接觸前后的位移變化。

圖6 風(fēng)擋局部坐標(biāo)系示意圖

(2)

(3)

根據(jù)表2中的配合關(guān)系,本文在對風(fēng)擋裝配緊固件間隙距離采用random函數(shù)生成,取值范圍區(qū)間為[0.06,0.64]mm之間,偏心角度取值范圍為[0°,90°]。本文共建立4組考慮隨機(jī)緊固件間隙的承載式風(fēng)擋有限元模型。通過對不考慮間隙情況下風(fēng)擋計算所得變形云圖(圖7)以及第1組間隙條件風(fēng)擋變形云圖(圖8)的對比,可以發(fā)現(xiàn)考慮間隙配合后風(fēng)擋位移分布發(fā)生比較大的變化,考慮間隙后最大位移值增大約11.8%。同樣,考慮間隙后,風(fēng)擋窗框以及周邊結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布以及應(yīng)力極值也出現(xiàn)比較大的變化(圖9、圖10)。

圖7 不考慮間隙配合下風(fēng)擋變形云圖

圖8 第1組間隙配合下風(fēng)擋變形云圖

圖9 不考慮間隙配合風(fēng)擋Mises應(yīng)力

圖10 第1組間隙配合下風(fēng)擋Mises應(yīng)力

表3為4組隨機(jī)間隙條件以及無間隙條件下風(fēng)擋窗框緊固件載荷極值信息?？梢园l(fā)現(xiàn)考慮裝配間隙后,緊固件載荷極值均要小于無間隙情況。而對于4組考慮隨機(jī)間隙情況下,所有緊固件最小值均小于1N,可近似認(rèn)為加載結(jié)束后這4種間隙情況下均有部分緊固件與釘孔間仍存在間隙的可能。

表3 4組隨機(jī)間隙情況緊固件極值信息

4 結(jié)語

本文對承載式風(fēng)擋中一單釘裝配細(xì)節(jié)模型進(jìn)行仿真分析,得出間隙裝配下緊固件柔度與裝配間隙之間的雙線性響應(yīng)關(guān)系,建立了間隙裝配下風(fēng)擋緊固件柔度與間隙之間的力學(xué)模型。在風(fēng)擋精細(xì)有限元模型中對每顆風(fēng)擋裝配緊固件引入隨機(jī)間隙柔度參數(shù),進(jìn)行了有限元仿真分析,為承載式風(fēng)擋大樣本隨機(jī)間隙的影響分析提供了基礎(chǔ)。在后續(xù)工作中,可進(jìn)行基于概率統(tǒng)計理論的間隙樣本輸入,進(jìn)一步完善裝配間隙的隨機(jī)性對承載式風(fēng)擋內(nèi)力分布的影響評估。