某型飞机地板网格翻转系统输出接头接触仿真分析

汪 静，邹衍，丁先良，江 鹏

（江西洪都商用飞机股份有限公司，江西 南昌，330024）

0 引 言

某型飞机地板网格翻转操作平台（下面简称 “操作平台” ）用于将客舱地板网格及装配型架（下面简称 “翻转架” ）从垂直状态翻转至水平状态。操作平台由一个减速器和一个支撑架构成，减速器将人工输出的力矩转化为输出接头上的扭矩，输出接头将扭矩传递给放在支撑架上的翻转架转轴，使翻转架绕轴转动。

输出接头与翻转架转轴（下面简称 “转轴” ）连接。输出接头是一个U 形接头，与方形截面的转轴套合，传递扭矩。输出接头与转轴连接示意图如图1 所示。

该接头强度决定了翻转平台功能能否正常实现，为设计可靠的接头，需对该接头进行受力分析。该连接区受力复杂，受力过程为：①输出接头受力转动，②U 型输出接头内侧与方形截面的转轴碰触，③两个零件的接触面相互作用。接触问题在力学上表现为高度的（材料、几何、边界）三重非线性问题[1]，该受力过程无法使用常规线弹性静力学来模拟，需要对其进行非线性接触仿真分析。本文使用ABAQUS 分析软件对输出接头进行了接触仿真分析。

图1 输出接头与翻转架的转轴连接示意图

1 理论依据

计算接触问题，接触的两个物体必须满足无穿透约束条件，数学上施加无穿透约束的方法有Lagrange乘子法、罚函数法以及基于求解器的直接约束法。ABAQUS 应用罚函数法将接触约束条件引入到系统的总泛函中，再根据变分原理或虚功原理得到系统的总平衡方程。

整个分析过程是一个非线性迭代的过程，ABAQUS 迭代算法是基于Newton-Raphson 算法[2]（见图2）建立的。它在每个增量步开始检查所有接触相互作用状态（uk，R(uk)，满足接触约束条件），并以此作为下一轮迭代计算的起点，重新建立系统的总平衡方程。迭代公式可简化为式（1）：

式中：uk—第k 增量步对应的位移矩阵；

R（uk）—第k 增量步对应的载荷矩阵；

Kk—第k 增量步对应的刚度矩阵；

P—施加在模型中的外载。

图2 Newton-Raphson 法

2 分析模型的建立

本文利用ABAQUS 软件建立接头接触分析模型。首先将CATIA 建立的三维模型导入ABAQUS中，然后在ABAQUS 中完成模型建立及仿真分析。

2.1 材料属性

在ABAQUS 环境栏的Module（模块）列表中选择Property（特性）功能模块，按图3 所示创建材料，随后可创建截面属性并赋予模型。

2.2 定义装配件并设置接触对

进入Assembly 模块，点击Instance Part 按钮，选中需要组装的零件，如图4 所示，完成组装。然后定义接触面，完成接触对的定义，如图5 所示。

图3 材料定义

图4 组装零件

图5 定义接触对

2.3 施加约束、载荷并划分网格

进入Load 功能模块，在输出接头耳孔处约束T1、T2、T3 方向自由度；在转轴后端中心（参考点）处约束T1、T2、T3、R2、R3 方向自由度，并在转轴后端中心R2 方向施加扭矩（CM1=749677.95 N·mm）。最后划分网格，完成接触分析前置处理工作，如图6 所示。

图6 约束、加载、划分网格

3 结果分析及结构优化

3.1 结果分析

进入ABAQUS 的job 模块，提交分析，即可提取应力分析结果，如图7 所示。输出接头Mises 应力σmax=568.9MPa、σmin=0.26MPa； 最 大 主 应 力σmax=372.3MPa、σmin=-486.2MPa； 剪应力τmax=-188.1MPa、τmin=-180.6MPa；最大变形值为0.0817mm。

应力应变分布规律：由图7 可知，输出接头上端面边缘与转轴端部接触区有明显的应力集中现象，该区域应力水平最高。其他高应力区主要分布在U 形槽根部，其余部位应力水平较低。

图7 输出接头接触仿真分析结果

由结果可知，输出接头最大Mises 应力为σ=170.6MPa，根 据《AIRFRAME STRESS ANALYSIS AND SIZING》[3]设计手册，输出接头强度判据为：

式中：σb—材料拉伸强度极限；

σ—设计载荷作用下最大应力。

输出接头材料为45# 钢，由材料手册可知，σb＝600MPa。代入式（2）计算可得：

从强度分析可知，输出接头满足强度设计要求。

3.2 结构优化

根据接触仿真分析结果，对输出接头结构进行局部优化，增加了两处倒角的半径（接头内侧根部倒圆角由R10 改为R15，接头立边根部倒角由R10 改为R30），重新进行接触仿真分析，结果如图8 所示。

图8 优化后结构图

优化分析结果如图9 所示。输出接头的Mises应力σmax=542.9MPa、σmin=0.13MPa； 最大主应力σmax=314.0MPa、σmin=-470.3MPa； 剪应力τmax=-177.7MPa、τmin=-165.5MPa；最大变形值为0.0738mm。结果证明，将U 形槽根部的倒角改大，使其在高应力区有更大的截面，输出接头的应力水平及结构变形可以进一步降低。

图9 优化后输出接头接触仿真分析结果

输出接头经由强度判据计算可得：

从强度分析结果可知，优化后，输出接头安全余量同样有所提高。

4 结 语

本文利用ABAQUS 软件建立了某型飞机地板网格翻转操作平台的输出接头接触分析模型，对输出接头接触应力进行了仿真分析。根据分析结果可知，该设计满足强度要求。根据分析结果对其结构进行（增加倒圆角）优化，进一步降低了应力水平。本文还给出了一种求解工作中常见的接触问题的有效方法，其优点是，依据ABAQUS 出色的非线性计算能力，可有效而准确地分析并获取结构的接触应力，可为解决设计工作中碰到的常见接触问题提供指导。