CN107066703A - 一种舱门结构静强度计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种舱门结构静强度计算方法，属于飞机结构强度设计领域。本发明基于线性接触分析方法进行静强度计算，首先建立舱门结构的有限元模型；并根据舱门结构与机身结构的配合关系，确定边界条件；之后，根据所述边界条件确定舱门结构的约束条件所适用的载荷工况，最后进行线性接触分析模型的约束，建立约束控制文件，最终计算得到舱门线性接触约束反力的结果。对采用线性接触分析的计算结果与非线性分析的计算结果进行比较，本发明线性接触分析能更方便、快捷、准确地计算舱门结构静强度。

Description

一种舱门结构静强度计算方法
技术领域
本发明属于飞机结构强度设计领域，尤其涉及一种舱门结构静强度计算方法。
背景技术
舱门结构是飞机上特殊的运动部件，对于气密舱门，主要承受正负压差载荷、气动载荷以及惯性载荷等。由于舱门与机身有较多的接触关系，这要求在舱门结构的强度计算过程中，需要根据载荷情况来确定舱门的边界约束条件。增压情况下，主要承受气密载荷，由固定的止动接头传递到机身结构上；非增压情况下，主要承受惯性载荷，由舱门锁闩、导向槽等传递到机身结构上。
对舱门结构而言，一方面由于不同的载荷情况有不同的载荷传递路径，如果采用线性静力计算，需要对每种载荷情况定义单独的约束条件，工作量大，并且难以模拟真实的接触情况；另一方面由于舱门属于多点接触的静不定结构，如果采用工程方法很难得出准确的结果。
在工程上虽然可以采用间隙单元来解决接触问题，但是间隙单元需要使用非线性求解序列，同时需要预估所用间隙单元的刚度，导致耗费时间较长，特别是对于多种工况的计算，费时费力，在方案设计之初这种方法并不可取。因此需要建立一种新的计算方法，方便、快速、准确地进行舱门静强度计算。
发明内容
本发明提供了一种舱门结构静强度计算方法，基于线性接触分析方法进行静强度计算，目的是为了提高包含多种工况的多点接触问题的计算效率。
本发明舱门结构静强度计算方法，主要包括以下步骤:
S1、建立舱门结构的有限元模型；
S2、根据舱门结构与机身结构的配合关系，确定边界条件；
S3、根据所述边界条件确定舱门结构的约束条件所适用的载荷工况，所述载荷工况包括气密载荷工况与惯性载荷工况；
S4、进行线性接触分析模型的约束，建立约束控制文件，计算舱门线性接触约束反力的结果。
优选的是，在建立所述有限元模型时，选取的舱门承力组件至少包含蒙皮、纵梁、横梁、止动接头、导向轮以及锁闩。
上述方案中优选的是，在建立所述有限元模型时，模拟止动接头的连接刚度时，至少包括止动销刚度以及止动接头耳片的刚度。
上述方案中优选的是，所述边界条件包括止动接头与机身结构的接触约束、蒙皮与机身结构的接触约束、导向轮与机身门框的接触约束以及气密与惯性载荷下的载荷约束。
上述方案中优选的是，所述步骤S4进一步包括建立约束控制文件，并由NASTRAN运算及调试，求解序列101。
本发明同时建立非线性分析模型，利用间隙单元GAP模拟接触关系，提交NASTRAN进行非线性分析，求解序列106，经过统计所用计算时间是线性接触计算的2倍。两种计算模式下，正压载荷作用下止动接头约束反力分布基本一致。因此采用线性接触分析方法能更方便、准确地计算舱门结构静强度。
本发明的优点和效果包括：
1)本发明提供的方法能准确模拟舱门结构的接触特性，满足舱门结构静强度计算要求。
2)与非线性计算相比，不用去计算间隙单元刚度数据，而且可以多工况分别求解，大幅缩短计算周期，降低了设计成本。
3)本发明提供的方法可以完成线性分析下的接触计算，操作简单，实现了计算方法与流程的标准化，避免了不同研发人员计算时出现的结果偏差。
附图说明
图1为本发明舱门结构静强度计算方法的一优选实施例的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
下面通过实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明提供了一种舱门结构静强度计算方法，，基于线性接触分析方法进行静强度计算，目的是为了提高包含多种工况的多点接触问题的计算效率。
本发明舱门结构静强度计算方法，主要包括以下步骤:
S1、建立舱门结构的有限元模型；
S2、根据舱门结构与机身结构的配合关系，确定边界条件；
S3、根据所述边界条件确定舱门结构的约束条件所适用的载荷工况，所述载荷工况包括气密载荷工况与惯性载荷工况；
S4、进行线性接触分析模型的约束，建立约束控制文件，计算舱门线性接触约束反力的结果。
本实施例以民机舱门为例，进行舱门结构静强度的接触计算，实现过程如下：
第一，选取舱门主要承力组件，应包含：蒙皮、纵梁、横梁、止动接头、导向轮和锁闩，建立舱门结构有限元模型，为了准确模拟舱门结构各个部位的接触情况，相邻纵梁和横梁之间的蒙皮分块不少于4×4个。
在有限元模型简化时，止动接头简化为刚体单元RBE2，与机身的连接用CBUSH单元来模拟。为了准确模拟连接刚度，必须同时考虑止动销的刚度和止动接头耳片的刚度。
在载荷F作用下，止动销和止动接头总变形为：δ＝δ1+δ2。
δ1为止动销变形，止动销轴向受载：变形为其中，F为拉压载荷，L1为止动销长度，E1为止动销弹性模量，A1为止动销横截面积；
同理，δ2为止动接头变形，止动接头认为是端头施加载荷的悬臂梁受载，变形为其中，F为拉压载荷，L2为悬臂梁长度，E2为悬臂梁弹性模量，I2为耳片根部剖面的惯性矩，其表示为其中，b为耳片根部宽度，h为耳片厚度。
由胡可定律F＝kx(x为上述变形，即δ1或δ2)，得止动销刚度：
同理，得止动接头耳片刚度：
因此，止动销和止动接头的总刚度：
第二，根据舱门结构与机身结构的配合关系，舱门的蒙皮、止动接头和锁闩和机身结构均具有配合关系，确定舱门的边界条件如下：
1)止动接头与机身结构为接触关系，接触约束方向沿止动平面法向，向内为正；
2)舱门周边的蒙皮与机身结构为接触关系，接触约束方向沿蒙皮法向，向外为正；
3)导向轮与机身前部门框为接触关系，接触约束为竖向和航向，竖向以向上为正，航向以向后为正；
4)导向轮与机身后部门框为接触关系，接触约束为竖向和航向，竖向以向上为正，航向以向前为正；
5)气密载荷工况下，对蒙皮施加均布气密载荷；惯性载荷工况下，对舱门有限元模型施加惯性过载系数；
第三，由上述的边界条件，确定舱门约束条件所适用的载荷工况。
表1给出了舱门约束条件所适用的载荷工况，其中X沿飞机航向向后为正，Y向右为正，Z向上为正。
表1舱门约束条件所适用的载荷工况
其中，“√”表示接触有效，“×”表示接触无效，“―”表示非主要传载方向的约束。
第四，根据表1，进行线性接触分析模型的约束，在止动接头位置建立沿止动平面法向的接触，约束方向向内，由SUPORT卡定义；在周边蒙皮位置建立沿蒙皮法向的接触，约束方向向外，由SUPORT卡定义；在导向轮位置建立沿竖向的接触，约束方向向上，由SUPORT卡定义；在锁闩位置约束竖向、侧向的自由度，由SPC卡定义。
最后，建立约束控制文件，提交NASTRAN运算并调试，求解序列101。
表2给出了舱门线性接触计算约束反力的结果。
表2、舱门线性接触计算约束反力结果
为了使发明效果更加突出，本实施例还采用了线性分析方法进行了结构静强度计算，如下所示。
建立非线性分析模型，利用间隙单元GAP模拟接触关系，提交NASTRAN进行非线性分析，求解序列106，经过统计所用计算时间是线性接触计算的2倍。表3给出了舱门非线性接触计算约束反力的结果。
表3、舱门非线性计算约束反力结果
对比线性接触计算结果与非线性计算结果，两者在主要载荷方向的约束反力量值相当；在两种计算模式下，正压载荷作用下止动接头约束反力分布基本一致。因此采用线性接触分析方法能更方便、准确地计算舱门结构静强度。
本发明的优点和效果包括：
1)本发明提供的方法能准确模拟舱门结构的接触特性，满足舱门结构静强度计算要求。
2)与非线性计算相比，不用去计算间隙单元刚度数据，而且可以多工况分别求解，大幅缩短计算周期，降低了设计成本。
3)本发明提供的方法可以完成线性分析下的接触计算，操作简单，实现了计算方法与流程的标准化，避免了不同研发人员计算时出现的结果偏差。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种舱门结构静强度计算方法，其特征在于,包括:
S1、建立舱门结构的有限元模型；
S2、根据舱门结构与机身结构的配合关系，确定边界条件；
S3、根据所述边界条件确定舱门结构的约束条件所适用的载荷工况，所述载荷工况包括气密载荷工况与惯性载荷工况；
S4、进行线性接触分析模型的约束，建立约束控制文件，计算舱门线性接触约束反力的结果。
2.如权利要求1所述的舱门结构静强度计算方法，其特征在于：在建立所述有限元模型时，选取的舱门承力组件至少包含蒙皮、纵梁、横梁、止动接头、导向轮以及锁闩。
3.如权利要求2所述的舱门结构静强度计算方法，其特征在于：在建立所述有限元模型时，模拟止动接头的连接刚度时，至少包括止动销刚度以及止动接头耳片的刚度。
4.如权利要求1所述的舱门结构静强度计算方法，其特征在于：所述边界条件包括止动接头与机身结构的接触约束、蒙皮与机身结构的接触约束、导向轮与机身门框的接触约束以及气密与惯性载荷下的载荷约束。
5.如权利要求1所述的舱门结构静强度计算方法，其特征在于：所述步骤S4进一步包括建立约束控制文件，并由NASTRAN运算及调试，求解序列101。
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