典型的翼梁傳力途徑:直接作用于翼梁的氣動力;從機翼傳到翼肋上的氣動載荷以剪流形式傳給翼梁腹板和蒙皮,翼肋引起梁的彎矩通過腹板以軸向剪流的形式傳給翼梁的上、下凸緣和腹板。
由于主翼梁為飛機機翼結構的主要承力元件,試飛前必須對翼梁進行強度計算。主要從以下兩方面:
1)計算整根翼梁在受載荷情況下的應力和應變分布
2)校核梁接頭、螺栓孔等關鍵部位的強度
載荷與約束
主翼梁螺栓孔受剛性螺栓約束;作用在機翼、尾翼等升力面上的空氣動力是機翼的主要外載荷,它是一種不均勻分布的空氣壓力,而這種分布是由于翼剖面的迎角和翼型的彎度所引起,典型機翼升力沿翼展方向的升力分布如圖2。
主翼梁分析模型
在對主翼梁進行分析前,首先要確定單元類型、分析方法和以及由此要進行網格劃分的特殊處理和載荷模擬。
根據模型的結構特點:單一材料,整體部件,對整個實體選用了SOLID185號實體單元。
翼梁作為一個單一勻質材料的整體部件,分析對其進行整體網格劃分,并對可能的應力集中處做了網格細化,如圖3。在經過幾次線性分析過程中,結果中翼梁局部都出現了應力屈服,為獲得更加真實的模擬結果,在隨后的分析中,采用了ANSYS軟件提供的非線性塑性分析方法。
作用在翼梁上的壓力是一個近似拋物線氣動載荷,在加載時要考慮加載方式。由于是從其他CAD軟件中導入的幾何模型,所以要對上凸緣進行處理,以利于加載。氣動載荷不是均勻或斜坡載荷,加載時要用到APDL編程。編程時還是用離散數據近似模擬真實數據,面離散越小,越接近實際工況。
主翼梁螺栓孔受剛性螺栓約束,在模擬時,要區別對待螺栓孔的不同內表面,這樣和真實的約束相符。
設置分析參數后求解,結果如圖4、圖5。
應力分布與強度校核
1.應力強度校核
從圖4和圖5所示的等效應力計算結果可知,模型的應力集中處出現在螺栓孔和翼梁中部各連接筋處;另外,翼梁根部應力分布在材料彈性區內。
2.塑性應變分析
從圖6和圖7所示的等效塑性應變計算結果可以看出,在螺栓孔處,由于拉應力產生了輕微的屈服,在各連接筋處由于應力集中產生的塑性變形尤為嚴重。
3.局部改進方案
根據以上計算結果,將模型進行了局部更改:加寬了翼梁中部八根連接筋的尺寸,再進行同樣載荷的靜強度計算。
改進后的有限元模型如圖8所示,關鍵部位的應力分布如圖9和圖10所示。
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結論
通過對翼梁的有限元分析可以明顯看到設計中較弱的部位以及傳力不好的部位,設計人員可對應力分布圖中顯示較弱的部位進行局部加強或改善傳力路線以使結構更為合理。
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