CN105260505B - 一种基于有限元的飞行器舱门密封载荷分析方法 - Google Patents

一种基于有限元的飞行器舱门密封载荷分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于有限元方法的飞行器舱门密封载荷计算方法，把密封条受力简化为平面应变状态，对密封条、支架和舱门建模、加载、定义接触，求出单位长度密封条压缩需要的力，密封条在支架和舱门之间；在舱门铰链处定义转动副并约束转动角位移，同时在密封位置对舱门施加与单位长度密封压缩力等效的压强，从而得到铰链的支反力矩，即为舱门密封载荷。本发明的计算方法解决了飞行器舱门自动开闭过程中由密封引起的力矩计算问题，为舱门自动开闭机构的设计提供设计依据，在国内尚属首创。

Description

一种基于有限元的飞行器舱门密封载荷分析方法
技术领域
本发明涉及一种基于有限元的飞行器舱门密封载荷分析方法，属于飞行器机构设计领域。
背景技术
舱门是飞行器的重要组成部分，它由两扇大尺度、空间曲面对开式舱门及开闭、锁紧机构组成，能实现自动重复开闭、锁紧等动作，并具有良好的密封性能。舱门边界密封在舱门关闭过程中对开闭机构和锁紧机构产生负载力矩，如何精确计算舱门密封负载力矩是舱门机构设计的关键技术之一。一方面密封负载是舱门机构设计的输入条件，须在设计初期开展；另一方面，舱门密封包含舱门、密封条和支架(飞行器机身支撑舱门的结构)之间的相互作用，存在大变形、接触和材料非线性。传统的三维有限元分析方法存在由密封条和舱门尺寸悬殊引起的网格划分难、密封条自由放置引起的约束难、非线性引起的收敛难等诸多问题，亟需一种高效率高精度的飞行器舱门密封载荷设计方法。
张友坡在《基于有限元法的飞机舱门结构仿真技术》中对典型飞机舱门结构的有限元仿真技术进行了研究,使用MSC.PATRAN软件建立了典型舱门主承力结构的有限元模型，并用MD.NASTRAN软件进行了计算，但并未提及密封载荷的计算。王广振、池长青、王之珊、赵国伟在《O形圈密封载荷衰减研究》中介绍了利用平板压缩法测试两种硅橡胶材料O形圈的载荷及其衰减规律情况。对于飞行器舱门密封载荷的计算及测试还未见到公开的文献。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于有限元的飞行器舱门密封载荷分析方法，解决飞行器舱门自动开闭过程中由密封引起的力矩计算的问题。
本发明目的通过如下技术方案予以实现：
提供一种基于有限元的飞行器舱门密封载荷分析方法，包括如下步骤：
(1)把密封条受力简化为平面应变状态，利用有限元分析软件对密封条、与密封条接触的支架局部和与密封条接触的舱门局部进行建模、加载、定义接触，求出单位长度密封条压缩需要的力；所述密封条在支架和舱门之间；
(2)利用有限元分析软件在舱门铰链处定义转动副并约束转动角位移，同时在密封位置对舱门施加与单位长度密封压缩力等效的压强，从而得到铰链的支反力矩，即为舱门密封载荷。
其中，步骤(1)具体为：利用密封条、所述舱门局部和所述支架局部的横截面尺寸定义几何模型，密封条利用对称线将截面取一半，将舱门与密封条接触区域截面近似为平面，支架取与密封条接触区域的局部截面，利用有限元分析软件在XY平面内进行建模，所取舱门局部截面一端、支架的局部截面一端与密封条的对称线在同一直线内，X轴平行于该直线，Y轴垂直于该直线；在密封条和舱门以及密封条和支架之间分别定义带摩擦的接触，摩擦系数均取值在0.01-1之间，接触刚度均取值在0.1-10之间；选择网格的单元类型为平面应变单元，单元形状以四边形为主，并要求在密封条的厚度方向有2层或2层以上的网格；在所述直线上对舱门、支架和密封条施加Y方向约束，支架外侧施加X方向的位移载荷，舱门外侧施加X方向约束；求解舱门外侧支反力，该支反力的2倍即为单位长度密封条压缩需要的力。
其中，求解舱门外侧支反力还包括，求解步数设置为5-20步；根据每步的压缩量及对应的单位长度密封条压缩需要的力，得到压缩量和单位长度密封条压缩需要的力的关系。
其中，步骤(2)具体为：在有限元分析软件中导入舱门三维模型，并利用对称性在舱门转轴中点，用垂直于转轴的平面将舱门分割成两半，取一半；在舱门的密封条接触位置切割出1mm宽度的密封压力加载区，在铰链处定义舱门和大地之间的转动副；在舱门内表面密封压力加载区施加与单位长度密封条压缩所需要的力大小相等的压强；定义铰链处转动角位移为0，求解后输出所取半个舱门铰链处的支反力矩，支反力矩的2倍即为舱门密封负载力矩，即舱门密封载荷。
其中，求解舱门密封载荷还包括，求解步长设置为1-5步；计算舱门密封条负载力矩和单位长度密封条压缩需要的力的比例关系，利用该比例关系和压缩量和单位长度密封条压缩需要的力的关系，计算密封条压缩量和舱门密封条负载力矩的关系。
优选的，采用的有限元分析软件为ANSYS软件。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明的计算方法解决了飞行器舱门自动开闭过程中由密封引起的力矩计算问题，为舱门自动开闭机构的设计提供设计依据，在国内尚属首创。
(2)本发明采用有限元软件ANSYS计算得到了飞行器舱门密封引起的负载力矩，计算过程分为两步：第一步求出单位长度密封条压缩需要的力，第二步根据在舱门上施加该力求出舱门负载力矩。该方法有效的避开了传统三维有限元分析方法难建模、难约束、难收敛的问题，经两个步骤的合理简化带来了求解效率的显著提高，便于一般工程技术人员使用，高效快捷。
附图说明
图1为本发明整体流程图；
图2为本发明单位长度密封条压缩力计算流程图；
图3为本发明密封条负载力矩计算流程图；
图4为本发明单位长度密封条压缩力计算几何建模示意图；
图5为本发明单位长度密封条压缩力计算的舱门支反力结果示意图。
具体实施方式
计算过程分为两步：(1)把密封条受力简化为平面应变状态，求出单位长度密封条压缩需要的力；飞行器舱门密封使用空心圆柱形密封条，其轴向尺寸远大于横截面尺寸，且横截面内的截面形状和所受载荷都近似相同。因此密封条受力情况可简化为平面应变状态，简化的方式为本领域公知技术；(2)在舱门铰链处定义转动副并约束转动角位移，同时在密封位置施加与单位长度密封压缩力等效的压强，从而得到铰链的支反力矩，即为舱门密封载荷。本发明采用有限元分析软件实现，本实施中采用ANSYS。
(a)利用ANSYS Workbench的静力模块进行单位长度密封条压缩需要的力计算，具体步骤如下：
(a1)在ANSYS Workbench的工程材料模块中分别定义密封条、支架和舱门的材料，所述的支架为飞行器机身支撑舱门的结构；材料属性包括弹性模量、泊松比等2类参数；
(a2)ANSYS Workbench的几何模块中利用密封条、舱门和支架的横截面的尺寸定义几何，并利用对称取一半，其中支架和舱门截面做了简化，其中由于舱门曲率半径远大于密封条横截面曲率半径，将其与密封条接触区域截面近似为平面；定义中，密封条、舱门和支架必须在独立的3个Front平面中定义，生成3个独立的面物体(surface body)；长度单位取mm；
(a3)在密封条和舱门以及密封条和支架之间分别定义带摩擦的接触，其摩擦系数取0.1；接触刚度取1；网格类型选四边形为主，并要求在密封条的厚度方向有2层网格，然后划分网格；
(a4)载荷在支架上施加最大压缩量的X方向位移，上表面为对称面，施加Y方向约束，舱门右边施加Y方向约束；
(a5)打开大变形选项(Large Deflection设置为on)；用定步长，设置计算10步；选择舱门右边Y方向约束输出支反力；打开大变形选项，进行求解；
(a6)在支反力的计算结果中，可得到不同时刻的支反力，可折算为不同压缩量的支反力；由于用了一半模型，此支反力的2倍即为单位密封条长度的支反力，单位为N/mm；
(b)如图3所示，利用ANSYS Workbench的静力模块进行舱门密封负载力矩计算，具体步骤如下：
(b1)直接引用(a1)定义的舱门材料；
(b2)ANSYS Workbench的几何模块中导入x_t格式的舱门三维CAD模型，并利用对称在舱门铰链方向取一半；为了密封条支反力施加到舱门的法线方向，利用Slice功能在舱门接触密封条位置切割出了1mm宽度的密封压力加载区；
(b3)在铰链处定义舱门和Groud之间的转动副类型的Joint；用默认值划分网格；
(b4)在舱门内表面密封压力加载区施加单位密封条长度的支反力大小的压力载荷(单位为MPa)；铰链处施加0°转角约束；
(b5)定义舱门铰链的z向约束力矩(Constrint moment)为测量；用默认设置求解；
(b6)在Constrint moment测量的计算结果中，可得到支反力矩，由于取了一般模型。该数乘以2即为实际支反力矩。也就是密封条折合到铰链出的负载力矩；利用密封条负载力矩和密封条单位长度支反力的比例关系。可直接计算密封条压缩量-负载力矩曲线。
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
如图1所示，该技术为一种基于有限元方法的飞行器舱门载荷计算方法，包括密封条支反力计算和舱门负载力矩计算两大部分；
(a)如图2所示，利用ANSYS Workbench的静力模块进行密封条支反力计算，具体步骤如下：
(a1)在ANSYS Workbench的工程材料模块中分别定义密封条、支架和舱门的材料，所述的支架为飞行器机身支撑舱门的结构；材料属性包括弹性模量、泊松比等2类参数；
(a2)如图4所示，ANSYS Workbench的几何模块中利用密封条、舱门和支架的横截面的尺寸定义几何，并利用对称取密封圈的一半(下半部)，其中支架和舱门截面的局部做了简化；定义中，密封条、舱门和支架必须在独立的3个Front平面中定义，生成3个独立的面物体(surface body)；长度单位取mm；
(a3)在密封条和舱门以及密封条和支架之间分别定义带摩擦的接触，其摩擦系数取0.1；接触刚度取1；网格类型选四边形主导，并要求在密封条的厚度方向有2层网格，划分网格；
(a4)载荷在支架上施加密封圈最大压缩量的X方向位移，(密封圈下半部)上表面为对称面，在施加对称面上施加Y方向约束，舱门右边施加X方向约束；
(a5)用定步长，设计算10步；选择舱门右边X方向约束输出支反力；打开大变形选项，进行求解；
(a6)如图7所示，在支反力的计算结果中，可得到不同时刻的支反力，可折算为不同压缩量的支反力；由于用了一半模型，此支反力的2倍即为单位密封条长度的支反力，单位为N/mm；
(b)如图3所示，利用ANSYS Workbench的静力模块进行舱门负载力矩计算，具体步骤如下：
(b1)直接引用(a1)定义的舱门材料；
(b2)ANSYS Workbench的几何模块中导入x_t格式的舱门三维CAD模型，并利用对称在舱门用转轴中点垂直于转轴的平面将舱门分割成两半，取一半；为了密封条支反力施加到舱门的法线方向，利用Slice功能在舱门接触密封条位置切割出了1mm宽度的密封压力加载区；
(b3)在铰链处定义舱门和Groud之间的转动副类型的Joint；用默认值划分网格；
(b4)在舱门内表面密封压力加载区施加单位长度密封条压缩需要的力大小的压力载荷(单位为MPa)；铰链处施加0°转角约束；
(b5)定义舱门铰链的z向约束力矩(Constraint moment)为测量；用默认设置求解；
(b6)在Constraint moment测量的计算结果中，可得到支反力矩，由于取了一半模型。该数乘以2即为实际支反力矩。也就是密封条折合到铰链处的负载力矩；利用密封条负载力矩和密封条单位长度支反力的比例关系。可直接计算密封条压缩量-负载力矩曲线。
实施例1
某舱门各部件材料特性如表1所示。密封条截面的内径为7mm，外径为10mm，压缩量为5mm。利用上述密封载荷设计的接力求解方法，得到的密封条的变形和应力，密封条压缩力为0.8274N/mm；舱门密封负载力矩为151.6N·m。
表1
本发明的方法已应用到型号设计中，采用本方法计算的飞行器舱门密封载荷为飞行器舱门开闭机构提供了设计依据。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种基于有限元的飞行器舱门密封载荷分析方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)把密封条受力简化为平面应变状态，利用有限元分析软件对密封条、与密封条接触的支架局部和与密封条接触的舱门局部进行建模、加载、定义接触，求出单位长度密封条压缩需要的力；所述密封条在支架和舱门之间；
(2)利用有限元分析软件在舱门铰链处定义转动副并约束转动角位移，同时在密封位置对舱门施加与单位长度密封压缩力等效的压强，从而得到铰链的支反力矩，即为舱门密封载荷；
步骤(2)具体为：在有限元分析软件中导入舱门三维模型，并利用对称性在舱门转轴中点，用垂直于转轴的平面将舱门分割成两半，取一半；在舱门的密封条接触位置切割出1mm宽度的密封压力加载区，在铰链处定义舱门和大地之间的转动副；在舱门内表面密封压力加载区施加与单位长度密封条压缩所需要的力大小相等的压强；定义铰链处转动角位移为0，求解后输出所取半个舱门铰链处的支反力矩，支反力矩的2倍即为舱门密封负载力矩，即舱门密封载荷。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于步骤(1)具体为：利用密封条、所述舱门局部和所述支架局部的横截面尺寸定义几何模型，密封条利用对称线将截面取一半，将舱门与密封条接触区域截面近似为平面，支架取与密封条接触区域的局部截面，利用有限元分析软件在XY平面内进行建模，所取舱门局部截面一端、支架的局部截面一端与密封条的对称线在同一直线内，X轴平行于该直线，Y轴垂直于该直线；在密封条和舱门以及密封条和支架之间分别定义带摩擦的接触，摩擦系数均取值在0.01-1之间，接触刚度均取值在0.1-10之间；选择网格的单元类型为平面应变单元，单元形状以四边形为主，并要求在密封条的厚度方向有2层或2层以上的网格；在所述直线上对舱门、支架和密封条施加Y方向约束，支架外侧施加X方向的位移载荷，舱门外侧施加X方向约束；求解舱门外侧支反力，该支反力的2倍即为单位长度密封条压缩需要的力。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于求解舱门外侧支反力还包括，求解步数设置为5-20步；根据每步的压缩量及对应的单位长度密封条压缩需要的力，得到压缩量和单位长度密封条压缩需要的力的关系。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于步骤(2)具体为：在有限元分析软件中导入舱门三维模型，并利用对称性在舱门用转轴中点，用垂直于转轴的平面将舱门分割成两半，取一半；在舱门的密封条接触位置切割出1mm宽度的密封压力加载区，在铰链处定义舱门和大地之间的转动副；在舱门内表面密封压力加载区施加与单位长度密封条压缩力大小相等的压强；定义铰链处转动角位移为0，求解后输出所取半个舱门铰链处的支反力矩，支反力矩的2倍即为舱门密封负载力矩，即舱门密封载荷。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，求解舱门密封载荷还包括，求解步长设置为10步；计算舱门密封条负载力矩和单位长度密封条压缩需要的力的比例关系，利用该比例关系和压缩量和单位长度密封条压缩需要的力的关系，计算密封条压缩量和舱门密封条负载力矩的关系。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，采用的有限元分析软件为ANSYS软件。
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