CN113237746B - 舵面操纵试验台架及铁鸟台架舵面模拟装置强度分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及结构强度分析技术领域，特别涉及舵面操纵试验台架及铁鸟台架舵面模拟装置强度分析方法。舵面操纵试验台架包括：铁鸟台架舵面模拟装置、作动器6、底座7；铁鸟台架舵面模拟装置包括圆盘1、内侧质量点2、外侧质量点3、1#轴4、2#轴5；圆盘1、内侧质量点2、外侧质量点3用于模拟舵面质量，内侧质量点2、外侧质量点3通过螺栓固连在圆盘1上；圆盘1与1#轴4固连，1#轴4与1#轴5通过螺栓机械连接；整个铁鸟台架舵面模拟装置通过作动器6进行驱动，并安装至支座7上。
Description
技术领域
本发明涉及结构强度分析技术领域，特别涉及舵面操纵试验台架及铁鸟台架舵面模拟装置强度分析方法。
背景技术
舵面操纵结构广泛大型飞机之中以改善飞机的起降性能。舵面具有“机构复杂，运动过程中容易发生咔滞，舵面结构与主翼面会产生变形干涉”的特点。
发明内容
发明目的：考虑旋转体积力及角加速度体积力，给出一种变加速运动舵面铁鸟台架精确非线性强度分析方法，有效减轻结构重量。
技术方案：
一种舵面操纵试验台架，包括：铁鸟台架舵面模拟装置、作动器(6)、底座(7)；
铁鸟台架舵面模拟装置包括圆盘(1)、内侧质量点(2)、外侧质量点(3)、1#轴(4)、2#轴(5)；
圆盘(1)、内侧质量点(2)、外侧质量点(3)用于模拟舵面质量，内侧质量点(2)、外侧质量点(3)通过螺栓固连在圆盘(1)上；圆盘(1)与1#轴(4)固连，1#轴(4)与1#轴(5)通过螺栓机械连接；整个铁鸟台架舵面模拟装置通过作动器(6)进行驱动，并安装至支座(7)上。
一种铁鸟台架舵面模拟装置强度分析方法，包括：
对铁鸟台架舵面模拟装置进行变加速运动工程受力分析，将铁鸟台架舵面模拟装置变加速运动过程静态化等效，确定整个动态过程各部件严重工况；
分别对角速度ω最大情况、角加速度ε最大情况进行工程静力分析，确定各部件及连接件基本结构参数；
运用非线性有限元算法，对各部件及连接件基本结构参数进行精确应力修正。
对铁鸟台架舵面模拟装置进行变加速运动工程受力分析，将铁鸟台架舵面模拟装置变加速运动过程静态化等效，确定整个动态过程各部件严重工况，包括：
对铁鸟台架舵面模拟装置进行变加速运动工程受力分析，确定整个动态过程各部件严重工况：将铁鸟台架舵面模拟装置角速度ω最大情况作为圆盘及其连接件受力最严重工况；铁鸟台架舵面模拟装置加速度ε最大的情况作为1#轴、2#轴严重工况。
分别对角速度ω最大情况、角加速度ε最大情况进行工程静力分析，确定各部件及连接件基本结构参数，包括：
根据已知位移方程，得到角速度方程和角加速度方程，进而得到最大角速度和最大角加速度；
计算圆盘以及质量点、1#轴、2#轴的转动惯量；
依据最大角加速度和转动惯量，计算1#轴的最大扭矩；
依据最大扭矩和现有材料的剪切强度，确定出1#轴的直径。
运用非线性有限元算法，对各部件及连接件基本结构参数进行精确应力修正，包括：
步骤1、建立精确应力分析连接模型：建立质量点与圆盘、圆盘与1#轴、1#轴与2#轴的连接单元，连接单元属性为Beam，并于连接点创建Faster约束，影响半径为钉直径；
步骤2、考虑1#轴R区非线性塑性流动影响，将非线性塑性流动曲线进行有限个材料应力点线性化差值近似处理；
步骤3、考虑1#轴R区大应变的几何非线性影响，在应力分析连接模型准确表征R区的应力水平；
步骤4、对应力分析连接模型进行精确应力的网格剖分；
步骤5、对网格剖分后的应力分析连接模型施加角速度体积力及角加速度体积力载荷，用于模拟圆盘危险工况和轴的危险工况；
步骤6、根据模拟危险工况的应力分析连接模型、线性化分解近似处理方程，选用劲度切线法迭代求解器进行非线性求解，得到应力云图和连接点载荷；
步骤7、若应力云图存在大于材料强度极限的情况，在应力分析连接模型中增加1#轴R区的面积，以新的应力分析连接模型执行步骤3；
步骤8，若应力云图存在小于或等于材料强度极限的情况，将R区的参数定为最终参数。
所述方法还包括：
对铁鸟台架舵面模拟装置强度和刚度进行评估分析，
其中，本体强度评估公式为：连接强度评估公式为：/>
其中，σb、分别指本体结构强度极限、最大工作复合应力，Pbr、PW指螺栓连接载荷及螺栓许用载荷，MS1是本体强度的安全裕度，MS2是连接强度的安全裕度。
对应力分析连接模型进行精确应力的网格剖分，包括：
采用渐进式收敛技术进行网格尺寸的确定：对高应力轴及R区进行3mm小尺寸二次单元四面体网格剖分以模拟结构传载及关注部位应力水平，对圆盘、内外质量点进行6mm一次六面体网格剖分。
一种计算机可读的存储介质，其上存储有计算机指令，所述指令被处理器执行时实现上述方法。
有益效果：
本发明旨在控制舵面刚度为目标，运用有限元方法对变加速舵面铁鸟台架进行精确强度分析。通过工程分析找到台架整个运动过程中的受力严重工况，建立相应工况下铁鸟台架的舵面质量模型，施加相应最大角速度旋转体积力及角加速度体积力，运用材料非线性对整个铁鸟台架进行精准刚度及强度评估，保证试验台架运动模拟验证的可靠性、安全性及精准性。
附图说明
图1为舵面试验台架结构图；
图2为质量点与圆盘连接、圆盘与1#轴连接、1#轴与2#轴连接的结构示意图；
图3为非线性塑性流动曲线。
图4为铁鸟台架舵面模拟装置有限元网格图。
图5为劲度切线法迭代求解的曲线。
图6为舵面试验台架应力云图。
具体实施方式
已知某大型飞机舵面操纵试验台架，如图1所示，主要由圆盘1、内侧质量点2、外侧质量点3、1#轴4、2#轴5、作动器6、底座7组成。如图2所示，圆盘1、内侧质量点2、外侧质量点3用于模拟舵面质量，内侧质量点2、外侧质量点3通过螺栓连接在圆盘1上；圆盘1与1#轴4焊接连接，1#轴4与1#轴5螺栓机械连接；整个铁鸟台架舵面模拟装置通过作动器6进行驱动，并安装至支座7上。
(1)对铁鸟台架舵面模拟装置进行变加速运动工程受力分析，确定整个动态过程各部件严重工况：圆盘主要承受质量点离心力，离心力F＝mrω2，因此圆盘及其连接件受力最严重工况为角速度ω最大情况；1#轴、2#轴承受绕转轴的扭矩，依据动量矩定理JZε＝∑MZ(F)，1#轴、2#轴严重工况为角加速度ε最大的情况；
(2)基于步骤(1)确定严重工况，将铁鸟台架舵面模拟装置变加速运动过程静态化等效，分别对角速度ω最大情况、角加速度ε最大情况进行静力分析；
(3)依据工程算法，确定各部件及连接件基本结构参数，以便后续精确应力分析：质量点与圆盘连接件参数、圆盘与1#轴连接参数依据向心力F＝mrω2进行确定，而1#轴、2#轴结构参数依据确定。
位移方程y＝15％Asin(40πt)，
速度方程v＝y'＝15％×40πAcos(40πt)
角速度
角加速度：ε＝y”＝-15％×(40π)2Asin(40πt)
飞轮转动惯量：
1#、2#轴最大剪应力
式中m、r、ω、ε、JZ、分别指质量点质量、距离旋转轴的半径，旋转角速度、旋转角加速度、质量点对Z轴的转动惯量、各力F对转轴的力矩；T、Wt是指轴所受扭矩及轴的抗弯截面系数。
最终依据材料剪切极限确定1#轴、2#轴基本参数，1#圆盘直径为70mm，见表1。
表1工程计算舵面试验装置基本参数
(4)建立精确应力分析连接模型：建立质量点与圆盘、圆盘与1#轴、1#轴与2#轴的连接单元，连接单元约束自由度为三个平动自由度和三个转动自由度，并于连接点创建刚体约束，影响半径为钉直径D，见图2；
(5)考虑材料非线性硬化影响：1#轴本体结构局部R区进入塑性，对图3所示的非线性材料硬化段进行有限个材料应力点线性化差值处理，输入相应的塑性数据，以便对应力水平、载荷传递路径进行精确模拟；
(6)对大应变的几何非线性进行准确表征：大集中载荷下结构产生大应变，几何非线性作用使结构的应力扩散范围、扩散路径发生变化，分析中考虑其影响以准确表征其变化；
(7)进行精确应力的网格剖分：对高应力轴及R区进行3mm小尺寸二次单元四面体网格剖分模拟结构传载及关注部位应力水平，对圆盘、内外质量点进行6mm一次六面体网格剖分，见图4；
(8)对图4有限元模型整体施加角速度体积力及角加速度体积力载荷，用于模拟圆盘危险工况和轴的危险工况；
(9)选用劲度切线法迭代求解器进行求解：采用将非线性硬化问题转化为一种分段线性化的求解方法，求解迭代过程见图5，每一步求解数学描述如下：
(10)计算求得结构应力分布及连接点载荷，见图6、表2；并对铁鸟台架舵面模拟装置强度和刚度进行评估分析：
本体强度评估：
连接强度评估：
表2舵面试验台架连接钉载荷
Claims (7)
1.一种铁鸟台架舵面模拟装置强度分析方法，应用于一种舵面操纵试验台架，其特征在于，该方法包括：
对铁鸟台架舵面模拟装置进行变加速运动工程受力分析，将铁鸟台架舵面模拟装置变加速运动过程静态化等效，确定整个动态过程各部件严重工况；
分别对角速度ω最大情况、角加速度ε最大情况进行工程静力分析，确定各部件及连接件基本结构参数；
运用非线性有限元算法，对各部件及连接件基本结构参数进行精确应力修正；
铁鸟台架舵面模拟装置包括圆盘(1)、内侧质量点(2)、外侧质量点(3)、1#轴(4)、2#轴(5)；
圆盘(1)、内侧质量点(2)、外侧质量点(3)用于模拟舵面质量，内侧质量点(2)、外侧质量点(3)通过螺栓固连在圆盘(1)上；圆盘(1)与1#轴(4)固连，1#轴(4)与1#轴(5)通过螺栓机械连接；
整个铁鸟台架舵面模拟装置通过作动器(6)进行驱动，并安装至底座(7)上；
舵面操纵试验台架包括：铁鸟台架舵面模拟装置、作动器(6)、底座(7)；铁鸟台架舵面模拟装置包括圆盘(1)、内侧质量点(2)、外侧质量点(3)、1#轴(4)、2#轴(5)；圆盘(1)、内侧质量点(2)、外侧质量点(3)用于模拟舵面质量，内侧质量点(2)、外侧质量点(3)通过螺栓固连在圆盘(1)上；圆盘(1)与1#轴(4)固连，1#轴(4)与1#轴(5)通过螺栓机械连接；整个铁鸟台架舵面模拟装置通过作动器(6)进行驱动，并安装至底座(7)上。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对铁鸟台架舵面模拟装置进行变加速运动工程受力分析，将铁鸟台架舵面模拟装置变加速运动过程静态化等效，确定整个动态过程各部件严重工况，包括：
对铁鸟台架舵面模拟装置进行变加速运动工程受力分析，确定整个动态过程各部件严重工况；
将铁鸟台架舵面模拟装置角速度ω最大情况作为圆盘及其连接件受力最严重工况；
铁鸟台架舵面模拟装置加速度ε最大的情况作为1#轴、2#轴严重工况。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，分别对角速度ω最大情况、角加速度ε最大情况进行工程静力分析，确定各部件及连接件基本结构参数，包括：
根据已知位移方程，得到角速度方程和角加速度方程，进而得到最大角速度和最大角加速度；
计算圆盘以及质量点、1#轴、2#轴的转动惯量；依据最大角加速度和转动惯量，计算1#轴的最大扭矩；
依据最大扭矩和现有材料的剪切强度，确定出1#轴的直径。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，运用非线性有限元算法，对各部件及连接件基本结构参数进行精确应力修正，包括：
步骤1、建立精确应力分析连接模型：建立质量点与圆盘、圆盘与1#轴、1#轴与2#轴的连接单元，连接单元属性为Beam，并于连接点创建Faster约束，影响半径为钉直径；
步骤2、考虑1#轴R区非线性塑性流动影响，将非线性塑性流动曲线进行有限个材料应力点线性化差值近似处理；
步骤3、考虑1#轴R区大应变的几何非线性影响，在应力分析连接模型准确表征R区的应力水平；
步骤4、对应力分析连接模型进行精确应力的网格剖分；
步骤5、对网格剖分后的应力分析连接模型施加角速度体积力及角加速度体积力载荷，用于模拟圆盘危险工况和轴的危险工况；
步骤6、根据模拟危险工况的应力分析连接模型、线性化分解近似处理方程，选用劲度切线法迭代求解器进行非线性求解，得到应力云图和连接点载荷；
步骤7、若应力云图存在大于材料强度极限的情况，在应力分析连接模型中增加1#轴R区的面积，以新的应力分析连接模型执行步骤3；
步骤8，若应力云图存在小于或等于材料强度极限的情况，将R区的参数定为最终参数。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：对铁鸟台架舵面模拟装置强度和刚度进行评估分析；
其中，本体强度评估公式为：
连接强度评估公式为：
其中，σ b、分别指本体结构强度极限、最大工作复合应力，P br、PW指螺栓连接载荷及螺栓许用载荷，MS1是本体强度的安全裕度，MS2是连接强度的安全裕度。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，对应力分析连接模型进行精确应力的网格剖分，包括：
采用渐进式收敛技术进行网格尺寸的确定；
对高应力轴及R区进行3mm小尺寸二次单元四面体网格剖分以模拟结构传载及关注部位应力水平，对圆盘、内外质量点进行6mm一次六面体网格剖分。
7.一种计算机可读的存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，所述指令被处理器执行时实现权利要求1-6任一项所述的方法。
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| CN113237746A (zh) | 2021-08-10 |
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Legal Events
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