带压窝加强结构有限元分析

冯国春 邹新煌



带压窝加强结构有限元分析

冯国春 邹新煌

本文通过建立带压窝加强结构的有限元模型，应用接触理论、几何非线性、材料非线性的分析方法对结构进行了分析比较，结果可以为工程设计分析提供参考。

带压窝（或压梗）加强结构有较好的面外刚度，能够承受较强的面外载荷，例如用在民用飞机地板处可以承受较大气密载荷。对于带压窝加强结构，在面内受载时，通常可以将此结构等效为各向异性板单元，通过工程方法对面内拉伸、剪切刚度做等效分析；在面外受载时，则需要建立细节模型进行分析。国内目前对于带压窝加强结构研究较少，且研究多数集中在线性范畴，线弹性分析在结构小变形时可以得到相对准确的分析结果，但由于没有考虑非线性因素的影响，结构偏危险，计算结果偏保守，不利于结构效率优化设计。因此，从提高经济性和安全性方面，对于此种结构利用非线性有限元手段进一步研究很有必要。

建立模型

对图1所示结构，带压窝加强结构下侧有横梁支撑，上侧左右两端有纵梁结构支持。采用Hypermesh软件建立有限元细节模型，如图2所示，板简化成壳单元，紧固件简化为cweld单元，气密载荷加载在结构上表面，大小为0.12MPa，对支撑横梁两端端面处所有节点进行（x、y、z）方向位移约束，以模拟横梁连续结构的支持；对铝板左右两侧节点进行（x、y、z）方向位移约束，以模拟腹板左右两侧连续结构的支持；对前后侧横梁腹板处所有节点进行（x）方向面内位移约束，以模拟前后侧腹板对横梁的支持。

结果分析

使用MSC.Nastran软件对带压窝加强结构有限元细化模型进行有限元分析，分别考虑线性、线性+接触、几何非线性+接触、几何非线性+接触+材料非线性4种情况，得到有限元分析结果如图3～图6所示，为更好的进行比较，图中隐去边缘钉孔位置和边缘位置单元，结果仅显示带均布压窝加强铝合金板的部分。

图3和图4分别为线性不考虑接触（A）和考虑接触（B）两种情况下铝板的位移图和应力图，结果均显示最大位移发生在压窝中心处，最大应力发生在压窝R角位置处，在考虑接触后，接触约束导致变形减小，最大Vonmises应力减小。

图1　典型压窝加强结构示意图

图2　带压窝加强结构有限元分析模型

图3　线性计算位移图

图4　线性计算应力图

图5　非线性计算位移图

图6　非线性计算应力图

表1　计算结果整理

图5和图6分别为考虑几何非线性+接触（C）、几何非线性+接触+材料非线性（D）两种情况下铝板的位移图和应力图，表1列出了4种情况下的计算结果。（C）为基于考虑几何非线性因素计算得到的结果，此时结构的变形导致结构刚度矩阵变化，相比于线性+接触情况，位移变大，应力变小。（D）为（C）进一步考虑材料非线性理论得到的结果，在载荷达到一定值时，将会发生塑性变形，此时结构刚度矩阵进一步发生变化，比较结果可知，位移稍微增大，应力变小。（D）为最符合结构的实际情况，但是由于非线性计算的复杂性，对计算资源也要求很高。

结语

本文对于一种带压窝加强结构进行了细化有限元分析研究，此类问题包含了接触、几何非线性、材料非线性等多种非线性耦合因素，通过对比4类情况的应力和位移图，可以得到如下结论，为工程设计分析提供参考：

1）在带接触结构分析中，应尽量考虑到接触对分析的影响；

2）承受面外载荷时，最大位移发生在压窝中心区域，最大应力发生在压窝R角区域；

3）结构载荷较大时，应尽量考虑到几何非线性、材料非线性因素对结构的影响。

冯国春 邹新煌

上海飞机设计研究院

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.10.016