CN106650061A - 一种力学环境下飞行器柔性电缆等效梁单元响应求解方法 - Google Patents

Abstract

一种力学环境下飞行器柔性电缆等效梁单元响应求解方法，在CATIA中对飞行器柔性电缆进行三维建模，抽取中线和点，生成柔性电缆简化模型，导入有限元软件ANSYS，经过转换后得到梁单元有限元模型，完成梁单元网格等效处理和梁单元加载，求解，得到柔性电缆受力分析结果，并进行三种视图的判读，以判断设计结果是否满足要求。本发明实现了飞行器柔性电缆的简化建模和快速求解，解决了飞行器电缆在力学环境下的响应难评估、强度难校核问题。

Description

一种力学环境下飞行器柔性电缆等效梁单元响应求解方法

技术领域

本发明涉及一种力学环境下飞行器柔性电缆等效梁单元响应求解方法，属于结构动力学领域，适用于飞行器柔性电缆静动强度分析。

背景技术

飞行器电缆是大柔性细长体，是一种典型的变形线性体，其装配、牵引、布线等操作是工程实践中不可缺少的环节，不可避免地涉及到柔性线缆的建模与受力分析问题，以评估飞行器电缆的受力情况是否满足要求。目前刚性零部件的建模技术已基本成熟，但针对柔性线缆建模研究的成果相对较少，还没有一种分析精度够用、计算成本较低的线缆建模与分析方法。

国内外学者采用的建模分析方法有许多种，主要是基于力学原理建立运动学方程，采用数值方法对方程求解。如航天五院王凤彬采用柔性体特征Kirchhoff方程建立电缆应力分析模型(中国航天科技集团公司2015年数字化制造研讨会，P201-207)，军械工程学院马元立提出基于质点-弹簧系统的柔性线缆建模仿真方法(系统仿真学报，2014年4月，P733-738)，这两种模型都属于运动学方程建模求解，具有一定的适用性，但是建模和分析过程复杂，工程使用不便，使得飞行器电缆在力学环境下的响应难评估、强度难校核。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种力学环境下飞行器柔性电缆等效梁单元响应求解方法，实现了飞行器柔性电缆的简化建模和快速求解，解决了飞行器电缆在力学环境下的响应难评估、强度难校核问题。

本发明的技术解决方案是：一种力学环境下飞行器柔性电缆等效梁单元响应求解方法，步骤如下：

(1)在CATIA中对飞行器柔性电缆进行三维建模；

(2)从CATIA三维模型抽取中线和点，生成.stp格式的柔性电缆简化模型；

(3)将步骤(2)得到的柔性电缆简化模型导入有限元软件ANSYS，经过转换后得到梁单元有限元模型；

(4)完成梁单元网格等效处理；

(5)分别约束所有几何点，在全局对柔性电缆梁单元施加加速度载荷；

(6)对经过步骤(5)处理得到的有限元模型进行求解，得到柔性电缆受力分析结果；

(7)对柔性电缆受力分析结果进行判读，具体方法如下：

a)根据约束的支反力视图，判读电缆支架校核载荷是否满足要求；

b)根据位移变形结果视图，判读电缆是否发生干涉；

c)根据应力视图，判读1/K倍的正应力值是否低于金属芯可用强度。

所述步骤(4)中梁单元网格的等效处理原则为重量相等、轴向力相等、轴向变形相等。

所述步骤(4)中梁单元网格的等效处理方法为：

(3.1)柔性电缆梁单元等效直径其中D1为电缆实际直径，S_电缆实际为电缆实际截面积，S_{金属芯合计}为电缆中所有金属芯的截面积之和，S_梁等效为梁单元等效截面积；

(3.2)柔性电缆梁单元等效杨氏模量其中E_金属芯为金属芯的实际杨氏模量；

(3.3)柔性电缆梁单元等效应力其中σ_金属芯为金属芯的实际应力；

(3.4)柔性电缆梁单元等效当量密度ρ_梁等效＝1.2Kρ_金属芯，ρ_金属芯为金属芯的实际密度。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明利用三维数模和材料特性，提出了一种快速简化柔性电缆建模方法，使飞行器复杂电缆系统的工程分析成为可能，解决了飞行器电缆在力学环境下的响应难评估、强度难校核问题。

(2)本发明以重量相等、轴向力相等、轴向变形相等为等效处理原则，对梁单元网格进行等效处理，简化了建模过程和计算量，可以通过试验结果修正当量系数K，提高分析结果的准确度。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为电缆示意图，其中(a)为电缆具体构成图，(b)为电缆截面图；

图3为一分二柔性电缆三维原始模型示意图；

图4为图3的简化模型；

图5为柔性电缆有限元梁单元示意图；

图6为柔性电缆有限元梁单元加载示意图；

图7为位移变形结果视图；

图8为应力视图。

具体实施方式

目前大型飞行器电气系统越来越复杂，设备与导线数量庞大，如大型火箭电缆网分支达2000+束，导线达20000+根，传统基于运动学方程的建模方法难以完成电缆网大系统的强度分析和校核，急需一种理论正确、工程可实现、精度满足要求的建模分析方法。

如图1所示，本发明提出了力学环境下飞行器柔性电缆等效梁单元响应求解方法，过程如下：

(1)在CATIA中对飞行器柔性电缆进行三维建模。

(2)从CATIA三维模型抽取中线和点，生成.stp格式的柔性电缆简化模型。

(3)将柔性电缆简化模型导入有限元软件ANSYS，经过转换后得到梁单元有限元模型。

(4)完成梁单元网格等效处理。

可以把电缆网划分为一段段的无分支电缆，针对每一段电缆，等效为一段梁单元，开展受力分析。见图2所示，通常一段电缆由一个电缆护套和多根金属芯线构成，其中金属芯线的材料为铜(镀锡铜、镀银铜等)，电缆护套的材料为绝缘氟塑料。

等效原则有三个：重量相等、轴向力相等、轴向变形相等。

对于等效梁单元，其截面取圆形。设置梁单元等效截面积与实际电缆和实际导线芯线的截面积关系参数为：

可实测计算 (1)

K为当量系数，取8～15 (2)

S_电缆实际为电缆实际截面积，S_{金属芯合计}为电缆中所有金属芯的截面积之和，S_梁等效为梁单元等效截面积，综合公式(1)、(2)，可得到柔性电缆梁单元等效直径D_梁等效与电缆实际直径D1的关系为：

为了保证重量相等，等效密度ρ_梁等效为：

ρ_金属芯为金属芯的实际密度，ρ_氟塑料为护套的实际密度，S_护套为护套的截面积。

由于金属的密度远大于氟塑料，同时金属芯线与护套截面积相当，所以护套等非金属材料重量在电缆中占比约20％，可得：

为了保证轴向力F相等、轴向变形ε相等，得到以下等式：

E_梁等效为梁单元等效杨氏模量，E_金属芯为金属芯的实际杨氏模量，E_护套为护套的实际杨氏模量。

由于金属的杨氏模量远大于氟塑料，同时金属芯线与护套截面积相当，所以护套等非金属材料在电缆轴向承载时的贡献可忽略不计。上述公式简化为：

E_梁等效S_梁等效＝E_金属芯S_{金属芯合计}

可得出等效杨氏模量E_梁等效为：

因为轴向变形相等，可得出梁单元等效应力σ_梁等效为：

σ_金属芯为金属芯的实际应力。

电缆的材料属性：密度取电缆金属芯密度的K倍，其它量同电缆金属芯。

(5)完成电缆梁单元加载。分别约束所有几何点，在全局施加加速度载荷。

(6)完成有限元求解。打开大变形选项，载荷步选5～10步，进行求解，得到柔性电缆受力分析结果。

(7)对柔性电缆受力分析结果进行判读，具体方法如下：

a)根据约束的支反力视图，判读电缆支架校核载荷是否满足要求；

b)根据位移变形结果视图，判读电缆是否发生干涉；

c)根据应力视图，判读1/K倍的正应力值是否低于金属芯可用强度。

以如图3所示的一分二柔性电缆为例，图4为采用本发明方法得到的简化模型。图5为该柔性电缆有限元梁单元示意图，图6为该柔性电缆有限元梁单元加载示意图，图7为位移变形视图，图8为应力视图。根据上述视图可以判读得到应力分布、变形分布和最大应力、最大变形，从而判断设计结果是否满足要求。

本发明未公开技术属本领域技术人员公知常识。

Claims (3)

1.一种力学环境下飞行器柔性电缆等效梁单元响应求解方法，其特征在于步骤如下：

(1)在CATIA中对飞行器柔性电缆进行三维建模；

(2)从CATIA三维模型抽取中线和点，生成.stp格式的柔性电缆简化模型；

(3)将步骤(2)得到的柔性电缆简化模型导入有限元软件ANSYS，经过转换后得到梁单元有限元模型；

(4)完成梁单元网格等效处理；

(5)分别约束所有几何点，在全局对柔性电缆梁单元施加加速度载荷；

(6)对经过步骤(5)处理得到的有限元模型进行求解，得到柔性电缆受力分析结果；

(7)对柔性电缆受力分析结果进行判读，具体方法如下：

a)根据约束的支反力视图，判读电缆支架校核载荷是否满足要求；

b)根据位移变形结果视图，判读电缆是否发生干涉；

c)根据应力视图，判读1/K倍的正应力值是否低于金属芯可用强度。

2.根据权利要求1所述的一种力学环境下飞行器柔性电缆等效梁单元响应求解方法，其特征在于：所述步骤(4)中梁单元网格的等效处理原则为重量相等、轴向力相等、轴向变形相等。

3.根据权利要求2所述的一种力学环境下飞行器柔性电缆等效梁单元响应求解方法，其特征在于：所述步骤(4)中梁单元网格的等效处理方法为：

(3.1)柔性电缆梁单元等效直径其中D1为电缆实际直径，S_电缆实际为电缆实际截面积，S_{金属芯合计}为电缆中所有金属芯的截面积之和，S_梁等效为梁单元等效截面积；

(3.2)柔性电缆梁单元等效杨氏模量

其中E_金属芯为金属芯的实际杨氏模量；

(3.3)柔性电缆梁单元等效应力其中σ_金属芯为金属芯的实际应力；

(3.4)柔性电缆梁单元等效当量密度ρ_梁等效＝1.2Kρ_金属芯，ρ_金属芯为金属芯的实际密度。