发动机吊挂接头强度分析方法研究

李驰 赵秀峰

摘 要：针对一种发动机吊挂接头的强度进行了工程计算和有限元分析，分别得到了接头失稳载荷，应力应变以及失稳模态，根据有限元分析结果对结构失稳和破坏模式进行了预测。通过试验对两种分析方法进行了对比验证。结果表明，对于接头这类非标准结构，有限元分析比工程计算具有更高的失稳及应力应变计算精度，同时可以得到失稳模态，预测破坏形式。

关键词：吊挂接头；工程计算；有限元分析；失稳；破坏形式

中图分类号：V216 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）09-0087-03

Abstract： The engineering calculation and finite element analysis of the strength of a kind of engine hoisting joint are carried out， and the unstable load， stress strain and instability mode of the joint are obtained respectively. According to the results of finite element analysis， the instability and failure mode of the structure are predicted. The two analytical methods are compared and verified by experiments. The results show that the finite element analysis has higher precision of calculation of instability and stress-strain than the engineering calculation for the non-standard structures such as joints， and can obtain the instability mode and predict the failure form at the same time.

Keywords： hanging joint； engineering calculation； finite element analysis； instability； failure form

引言

发动机吊挂是连接飞机机翼与发动机的重要部件，其中“L”型接头与加筋壁板铆接组合为其常见形式，被广泛应用于各型飞机的吊挂结构中，其具有受载大的特点。当接头承受压载时，与其相连的加筋壁板往往会发生失稳甚至破坏，给飞机安全带来隐患，因此在设计时需特别注意。

目前对于吊挂接头的强度分析通常采用工程计算方法，利用该方法对接头这种非标准结构进行强度计算主要有以下缺点：（1）应力/应变计算精度不够；（2）失稳载荷计算不够准确；（3）失稳/破坏模式难以预测。本文介绍了一种发动机吊挂接头的有限元强度分析方法，通过与工程计算结果进行对比并通过试验验证，说明了该分析方法的优势所在。

1 工程计算

以图1所示的“L”型接头为例进行工程计算，由于虚线框内为该结构的薄弱区域，即最容易发生失稳/破坏区域，因此将该区域作为分析考核段。考核段为受轴压的加筋平板，其总体失稳临界应力公式为[1]：

经计算得到的失稳载荷比为57.7%。

2 有限元分析

以图1所示的“L”型接头为例，采用Patran&Nastran;软件进行有限元建模[2]。

2.1 有限元建模及材料性能

接头耳片采用实体单元Tet4（四节点四面体）进行网格划分，加筋平板采用Quad4（四边形壳单元）建模。接头耳片与加筋壁板之间采用RBE2（刚体元）进行连接，用来模拟二者之间的铆钉连接，有限元模型如图3所示，材料及性能见表2。

2.2 边界条件及载荷施加

“L”型接头通过加筋平板两端铰支约束，在有限元模型中，分别约束加筋平板两端的X向、Y向和Z向平动，约束点与平板筋条通过RBE2（刚体元）进行耦合。载荷施加在接头耳片耳孔中心点，中心点通过RBE2（刚体元）与耳孔内圈耦合，载荷大小见表1。

2.3 求解

首先，对于接头采用Nastran中的线性模块（Linear Static）进行分析，得到其在最大载荷下考核段区域的应力应变。

其次，对于接头加筋平板的压缩稳定性采用Nastran中的屈曲模块（Buckling）进行分析，该模块是通过提取使线性系统刚度矩阵奇异的特征值来获得接头的临界失稳载荷及失稳模态。其求解原理如下：

根据应力应变云图可知，1～3区域截面为应力最大区域，结构在该处最容易发生破坏，再结合失稳模态图，预测考核段应先于该区域发生失稳，其失稳形式为向接头内侧弯折，随着载荷的逐步增大，考核段弯曲变形愈发严重，最终应当为整个截面的失稳破坏，并伴随有筋条的弯曲或断裂。

3 试验验证与对比分析

為比较工程计算方法与有限元分析方法的准确性，通过接头试验进行验证。试验件通过支持夹具固定在承力墙上，试验支持夹具与试验件下端过渡段通过连接带板连，与试验件上端通过接头连接。试验件安装及支持示意图如图5所示。

表3为稳定性计算结果与试验结果的对比，表4为有限元分析应变结果与试验结果的对比。由表4知工程计算的失稳载荷结果与试验结果相比误差较大，且结果偏危险。这主要是因为本例中的考核段不是标准的加筋壁板，其两侧筋条与中间两根筋条尺寸差别较大，同时平板中间有部分被铣削变薄的区域，这些都对工程计算的结果造成了影响。

而采用有限元分析方法可以较为准确的计算出失稳载荷，误差仅为1%，且计算结果较为保守（见表3）；采用有限元分析方法得到的考核区应变与试验结果吻合较好，误差均较小（见表4）。主要原因是采用有限元分析方法是基于有限元模型进行计算的，只要模型与真实结构尺寸参数、材料性能等保持一致，就能够较为准确的计算出失稳及应力/应变结果，从而避免采用工程方法计算非标准结构带来的误差。

试验件最终破坏形式主要有考核段加筋平板向内侧弯折，考核段侧缘出现撕裂以及考核段内侧加强筋出现弯曲变形等，如图7所示。

由试验件破坏形式可以看出，通过有限元分析方法预测得到的失稳区域和破坏形式与试验结果相吻合。有限元分析方法在应力/应变分析和失稳分析方面都具有很高的计算精度，同时可以得到失稳模态，预测破坏模式，与工程计算方法相比具有明显优势。

4 结束语

本文对一种常见的吊挂“L”型接头强度进行了工程计算和有限元分析，并进行了试验验证。对于非标准结构，采用有限元分析方法可以得到更为精确的应力/应变和失稳载荷，同时，采用有限元分析方法可以得到与试验结果相近的失稳模态，并预测结构破坏形式。

参考文献：

[1]《飞机设计手册》总编委会.飞机设计手册：第9册载荷，强度和刚度[M].北京：航空工业出版社，2001.

[2]T.H.G.Megson.飞机结构分析概论[M].北京：航空工业出版社，2016：225-235.

[3]郑洁，任善.复合材料加筋壁板稳定性分析研究[J].飞机工程，2015（1）：43-46.

[4]张耀光，宫宇，邢利君.航空发动机关键制造技术分析与应用[J].科技创新与应用，2017（07）：104.

[5]潘凡.航空发动机台架试车工艺流程介绍[J].科技创新与应用，2015（24）：16.