CN112528536A - 一种由单位载荷响应计算多工况系统安装交点载荷的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于飞机结构强度设计载荷分析技术领域,涉及一种由单位载荷响应计算多工况系统安装交点载荷的方法;本发明针对载荷工况多的超静定安装的系统安装交点载荷计算,提出了一种由单位输入载荷响应计算系统安装交点载荷的方法,本发明无需求解每一个载荷输入条件下的有限元模型计算结果,只需要计算每个输入载荷作用点在单位载荷作用下的系统安装交点载荷,然后采用一种线性叠加的方法就可以快速准确地得到任意载荷输入条件下的交点载荷。应用于飞机系统安装交点载荷计算中,是一种由单位输入载荷响应计算系统安装交点载荷的高效准确的方法。
Description
技术领域
本发明属于飞机结构强度设计载荷分析技术领域,应用于飞机系统安装交点载荷计算中,是一种由单位输入载荷响应计算系统安装交点载荷的高效准确的方法,特别涉及一种由单位载荷响应计算多工况系统安装交点载荷的方法。
背景技术
随着战斗机设计水平的快速发展,用户对战斗机的要求越来越多,战斗机的使用环境越来越复杂,导致战斗机机体结构在设计时需要考虑的载荷工况数也越来越多。在以前三代机设计时,仅计算不足百余种的全机载荷工况,而到四代机的设计时,已达到上万种的载荷工况,以F-35战斗机设计为例,F35-A在设计时考虑的工况数为14555种,F35-B在设计时考虑的工况数为21329种,F35-C在设计时考虑的工况数为25363种。可以预见随着设计水平精细化发展,后续的先进战斗机的设计载荷工况数会急剧增加。
在战斗机结构设计时,需要考虑发动机和外挂等重要系统安装的交点载荷对机体结构的影响。这种系统安装载荷输入条件是和全机载荷一一对应配套的,正常的载荷工况数同全机载荷工况数一样多,对于这些重要系统,有时候还需要考虑系统在故障时候的载荷情况,如发动机停车和外挂导弹发射不离梁等故障工况,这样就导致系统安装的载荷工况数将会更成倍于正常的全机载荷工况数。
这些重要的系统通常采用超静定的方式与机体结构进行安装连接。
超静定的发动机安装见图1所示。发动机1安装在机身内,采用主安装面A-A和辅安装面B-B,通过支撑式结构的超静定安装方式与飞机机身结构相连,主安装面A-A上有左推力销101和右推力销102、辅助安装面B-B上有垂直吊杆103和水平拉杆104。主辅安装面将发动机与机身结构连接在一起,将发动机承受的输入载荷:陀螺力矩M、过载G、推力T、尾喷口载荷F等载荷传递到机身结构。
其中主安装面A-A的左推力销101传递F101y、F101z载荷,右推力销102传递F102x、F102y、F102z载荷;辅助安装面B-B的垂直吊杆103传递F103z载荷,水平拉杆104传递F104x载荷。所述的x、y、z为正交的3个方向,在本例中,x方向为侧向,y方向为航向,z方向为垂向。
需要计算发动机安装的交点载荷即计算出F101y、F101z、F102x、F102y、F102z、F103z、F104x等载荷,供机体结构设计使用。
超静定的外挂系统安装见图2所示。外挂3通过螺栓301、螺栓302、螺栓303、螺栓304安装在机身2上,将外挂承受的输入载荷:气动载荷P和过载G等载荷传递到机身结构。
其中螺栓301传递F301x、F301y、F301z载荷,螺栓302传递F302x、F302y、F302z载荷,螺栓303传递F303x、F303y、F303z载荷,螺栓304传递F304x、F304y、F304z载荷。所述的x、y、z为正交的3个方向,在本例中,同样x方向为侧向,y方向为航向,z方向为垂向。
需要计算外挂系统安装的交点载荷即计算出F301x、F301y、F301z、F302x、F302y、F302z、F303x、F303y、F303z、F304x、F304y、F304z等载荷,供机体结构设计使用。
计算超静定安装的系统安装交点载荷通用的方法是建立系统安装交点载荷计算有限元模型,通过有限元方法计算出交点载荷。先进战斗机设计有限元模型的分析规模越来越大,节点和单元一般都在数十万以上,以F-35战斗机设计为例,F35-A有限元模型节点数15.8万、单元数21.3万;F35-B有限元模型节点数16.2万、单元数22.1万;F35-C有限元模型节点数17.5万,单元数24.0万。如果计算系统安装交点载荷将所有载荷工况进行全面的有限元分析,则计算时间很长,结果文件也非常大,既浪费时间和资源,数据结果也不利于高效的应用。
因此需要一种高效准确的计算多载荷工况的超静定安装的系统安装交点载荷计算方法。
发明内容
本发明目的:本发明提出了一种由单位输入载荷响应计算系统安装交点载荷的方法,该方法只要计算每个输入载荷作用点在单位载荷作用下的系统安装交点载荷,然后采用一种线性叠加的方法就可以快速准确的得到任意载荷输入条件下的系统安装交点载荷。
本发明技术方案:一种由单位载荷响应计算多工况系统安装交点载荷的方法,其特征在于,
包括以下步骤:
步骤1:建立起超静定系统安装交点载荷计算有限元模型;
步骤2:在超静定系统安装交点载荷计算有限元模型中,分别在输入载荷的作用点上施加单位载荷,通过有限元计算得到相应的基于单位输入载荷下的系统安装交点载荷的值;
步骤3:依据载荷线性叠加原理,任意载荷输入条件下的系统安装交点载荷可以通过单位输入载荷的响应值线性叠加相应的倍数后得到。
所述的系统安装交点载荷指:系统安装在机体结构上将系统承受的总体载荷传递到机体结构,在安装点位置处的载荷。
所述的超静定系统安装指:安装交点载荷超过6个的系统安装形式。
所述的系统安装指:发动机和外挂系统安装。
所述超静定系统安装交点载荷计算有限元模型指:包含机体结构刚度的有限元模型和系统安装模型,其中系统安装模型可以采用系统刚度有限元模型,也可以采用多点约束方式代替。
所述输入载荷的作用点指:系统承受总体载荷的集中点,所述集中点可以为多个,所述集中点可以为多个方向。
所述单位载荷指:系统在某个载荷集中点上施加单位1的载荷,此时其它载荷集中点以及载荷方向上施加0的载荷。
所述任意载荷指:每个总体载荷工况对应的系统载荷集中点上的实际载荷值。
所述的载荷线性叠加原理指:在弹性力学计算范围内,任意输入载荷下的响应值可以通过单位1的输入载荷响应值乘以相应倍数得到,所述相应倍数指总体载荷工况对应的系统载荷集中点上的实际载荷值与单位载荷的比例。
本发明的有益效果:
本发明针对载荷工况多的超静定安装的系统安装交点载荷计算,提出了一种由单位输入载荷响应计算系统安装交点载荷的方法,本发明无需求解每一个载荷输入条件下的有限元模型计算结果,只需要计算每个输入载荷作用点在单位载荷作用下的系统安装交点载荷,然后采用一种线性叠加的方法就可以快速准确地得到任意载荷输入条件下的交点载荷。
附图说明
图1现有技术发动机与机体结构安装连接示意图
图2为图1A-A方向示意图
图3为图1B-B方向示意图
图4现有技术外挂系统与机体结构安装连接示意图
图5本发明实施例1发动机安装交点载荷计算有限元模型
图6本发明实施例2外挂系统安装交点载荷计算有限元模型
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明:
实施例1:以超静定的发动机安装为例,见图3所示。
1.1)采用梁元建立起发动机1的刚度有限元模型,按照通用机体结构有限元建模方法建立起机身2的刚度有限元模型,其中发动机1的刚度有限元模型通过左推力销101的梁元、右推力销102的梁元、垂直吊杆103的杆元、水平拉杆104的杆元与机身2的刚度有限元模型相连形成发动机安装交点载荷计算有限元模型。在发动机安装交点载荷计算有限元模型中包含载荷工况中输入载荷的作用点,即包括发动机承受的陀螺力矩M、过载G、推力T、尾喷口载荷F的作用点。
1.2)在陀螺力矩作用点上施加单位载荷1,通过有限元计算得到发动机安装点的交点载荷F101y-M、F101z-M、F102x-M、F102y-M、F102z-M、F103z-M、F104x-M;
1.3)在过载作用点上施加单位载荷1,通过有限元计算得到发动机安装点的交点载荷F101y-G、F101z-G、F102x-G、F102y-G、F102z-G、F103z-G、F104x-G;
1.4)在推力作用点上施加单位载荷1,通过有限元计算得到发动机安装点的交点载荷F101y-T、F101z-T、F102x-T、F102y-T、F102z-T、F103z-T、F104x-T;
1.5)在尾喷口载荷作用点上施加单位载荷1,通过有限元计算得到发动机安装点的交点载荷F101y-F、F101z-F、F102x-F、F102y-F、F102z-F、F103z-F、F104x-F。
1.6)在任意载荷工况下,载荷输入条件假设陀螺力矩作用点上的载荷为M,过载作用点上的载荷为G,推力作用点上的载荷为T,尾喷口载荷作用点上的载荷为F。依据载荷线性叠加原理,任意载荷输入条件下的系统安装交点载荷可以通过单位输入载荷的响应值线性叠加相应的倍数后得到。针对任意载荷工况下的载荷输入条件M、G、T、F,发动机安装交点载荷为:
实施例2:以超静定的外挂系统安装为例,见图4所示。
2.1)按照通用机体结构有限元建模方法建立起机身2的刚度有限元模型,外挂系统3采用多点约束方式通过301螺栓、302螺栓、303螺栓、304螺栓与机身2的刚度有限元模型相连形成外挂系统安装交点载荷计算有限元模型。在外挂系统安装交点载荷计算有限元模型中包含载荷工况中输入载荷的作用点,即包括外挂系统承受的气动载荷P和过载G的合力作用点。
2.2)在外挂系统承受的气动载荷P和过载G的合力作用点上施加x方向的单位载荷1,通过有限元计算得到外挂系统安装点的交点载荷F301x-x、F301y-x、F301z-x、F302x-x、F302y-x、F302z-x、F303x-x、F303y-x、F303z-x、F304x-x、F304y-x、F304z-x;
2.3)在外挂系统承受的气动载荷P和过载G的合力作用点上施加y方向的单位载荷1,通过有限元计算得到外挂系统安装点的交点载荷F301x-y、F301y-y、F301z-y、F302x-y、F302y-y、F302z-y、F303x-y、F303y-y、F303z-y、F304x-y、F304y-y、F304z-y;
2.4)在外挂系统承受的气动载荷P和过载G的合力作用点上施加z方向的单位载荷1,通过有限元计算得到外挂系统安装点的交点载荷F301x-z、F301y-z、F301z-z、F302x-z、F302y-z、F302z-z、F303x-z、F303y-z、F303z-z、F304x-z、F304y-z、F304z-z。
2.5)在任意载荷工况下,载荷输入条件假设承受的气动载荷P和过载G的合力作用点上施加x方向的载荷为Fx,施加y方向的载荷为Fy,施加z方向的载荷为Fz。依据载荷线性叠加原理,任意载荷输入条件下的系统安装交点载荷可以通过单位输入载荷的响应值线性叠加相应的倍数后得到。针对任意载荷工况下的载荷输入条件Fx、Fy、Fz,外挂系统安装交点载荷为:
这样只需要通过有限元方法计算求解数目有限的几个单位输入载荷下的系统安装交点载荷的值(以发动机安装为例,只需有限元方法计算求解4个单位输入载荷下的发动机安装交点载荷响应值;以外挂系统安装为例,只需有限元方法计算求解3个单位输入载荷下的外挂系统安装交点载荷响应值),就可以通过线性叠加矩阵快速地得到任意载荷输入条件下的交点载荷值。
Claims (9)
1.一种由单位载荷响应计算多工况系统安装交点载荷的方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1:建立起超静定系统安装交点载荷计算有限元模型;
步骤2:在超静定系统安装交点载荷计算有限元模型中,分别在输入载荷的作用点上施加单位载荷,通过有限元计算得到相应的基于单位输入载荷下的系统安装交点载荷的值;
步骤3:依据载荷线性叠加原理,任意载荷输入条件下的系统安装交点载荷可以通过单位输入载荷的响应值线性叠加相应的倍数后得到。
2.如权利要求1所述的一种由单位载荷响应计算多工况系统安装交点载荷的方法,其特征在于,所述的系统安装交点载荷指:系统安装在机体结构上将系统承受的总体载荷传递到机体结构,在安装点位置处的载荷。
3.如权利要求1所述的一种由单位载荷响应计算多工况系统安装交点载荷的方法,其特征在于,所述的超静定系统安装指:安装交点载荷超过6个的系统安装形式。
4.如权利要求1所述的一种由单位载荷响应计算多工况系统安装交点载荷的方法,其特征在于,所述的系统安装指:发动机和外挂系统安装。
5.如权利要求1所述的一种由单位载荷响应计算多工况系统安装交点载荷的方法,其特征在于,所述超静定系统安装交点载荷计算有限元模型指:包含机体结构刚度的有限元模型和系统安装模型,其中系统安装模型可以采用系统刚度有限元模型,也可以采用多点约束方式代替。
6.如权利要求1所述的一种由单位载荷响应计算多工况系统安装交点载荷的方法,其特征在于,所述输入载荷的作用点指:系统承受总体载荷的集中点,所述集中点可以为多个,所述集中点可以为多个方向。
7.如权利要求1所述的一种由单位载荷响应计算多工况系统安装交点载荷的方法,其特征在于,所述单位输入载荷指:系统在某个载荷集中点上施加单位1的载荷,此时其它载荷集中点以及载荷方向上施加0的载荷。
8.如权利要求1所述的一种由单位载荷响应计算多工况系统安装交点载荷的方法,其特征在于,所述任意载荷指:每个总体载荷工况对应的系统载荷集中点上的实际载荷值。
9.如权利要求1所述的一种由单位载荷响应计算多工况系统安装交点载荷的方法,其特征在于,所述的载荷线性叠加原理指:在弹性力学计算范围内,任意输入载荷下的响应值可以通过单位1的输入载荷响应值乘以相应倍数得到,所述相应倍数指总体载荷工况对应的系统载荷集中点上的实际载荷值与单位载荷的比例。
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