基于ABAQUS接触算法结构强度分析

龚思楚，张宪政，梅李霞，黄晓霞，熊盼

（中航工业洪都，江西南昌330024）

基于ABAQUS接触算法结构强度分析

龚思楚，张宪政，梅李霞，黄晓霞，熊盼

（中航工业洪都，江西南昌330024）

有限元建模通常采用固定约束或连接单元模拟典型连接结构的紧固件，此模拟方式使得结构支持刚度过硬，导致连接部位计算结果失真。基于ABAQUS软件建立推力梁连接结构有限元模型，采用接触对模拟连接紧固件，进行有限元应力分析，并将计算结果与实验结果进行对比，分析结果表明，连接结构整体有限元模型能够很好的模拟结构支持刚度与受力情况，计算结果与实验结果吻合。

ABAQUS；接触分析；边界非线性

0 引言

航空飞行器结构中存在着大量的接头、耳片等机加结构，通过这些结构传递集中载荷，其中推力梁传递推力及其惯性力，由于载荷作用大、结构受力复杂，在飞机结构设计中是最值得关注的结构之一。

某型号飞机推力梁由于改型过程中载荷增大，对推力梁结构进行强度计算时，应力水平远远超过了材料强度许用值；如果要满足强度要求，推力梁局部需加强到很厚；并会出现严重的结构连接刚度匹配问题，使得结构装配困难，而且结构的传递路径将发生变化。

结构强度分析通常是通过固定约束或连接单元来模拟结构的连接，但这些模拟方式使得结构的边界条件过于刚硬，导致结构局部应力集中，应力水平偏高。而ABAQUS有限元分析软件通过接触算法能够模拟结构间的载荷专递过程，本文通过建立推力梁连接结构整体有限元模型，设置推力梁与连接件的接触关系，解除固定约束导致的结构边界条件过刚硬影响，求解推力梁在接头载荷的作用下的应力结果，将计算结果与实验结果和固定约束模型计算结果进行对比分析。

1 接触分析过程

针对结构强度分析主要应用的是线性分析方法，即外载荷与系统响应为线性关系，但这种线性关系是一种理论上的近似，在实际结构中，结构的刚度会随变形而发生改变，即非线性关系。其中接触问题是一种典型的非线性问题，接触体之间的接触面积和压力分布随外载荷变化[1]。通过接触条件，允许力从模型的一部分传递到另一个部分，只有当两个表面发生接触时才会有约束产生，接触面分开时，就不存在约束作用了[2]。

ABAQUS/Standard中接触逻辑过程如图1所示，在每个增量步开始时检查所有接触相互作用的状态，以确定接触面是开放还是闭合。ABAQUS/Standard对每个闭合面施加一个约束，然后求解器进行迭代计算，并利用计算的修正值来更新模型的构形[2]。ABAQUS可以自动选择合适的载荷增量和收敛准则，通过在分析过程中不断调整参数，便可获得精确的结果[3]。

图1 接触逻辑

2 有限元模型

推力梁连接结构整体有限元模型如图2所示，主要由推力梁、发动机安装接头、前后端框及连接件组成，其中发动机安装接头由安装座、卡箍、销子及活结螺栓组成。通过CAD软件对推力梁连接结构建立数字模型，通过数模接口导入ABAQUS有限元软件中。由于分析主要关注推力梁应力水平，为保证计算精度和减少计算工作量，保留了安装节和推力梁结构上的倒角而忽略了前后端框和连接型材上的倒角。

2.1 结构材料属性

推力梁连接结构主要材料由铝合金和高强度合金钢组成，铝合金材料属性为弹性模量E= 61999MPa，泊松比υ=0.33。高强度合金钢材料属性为弹性模量E=206000MPa，泊松比υ=0.33。2.2边界条件

图2 推力梁连接结构有限元模型

推力梁连接结果整体有限元模型边界条件如图2所示，模型中认为推力梁周边结构对其支持刚度只在一定范围有影响，模型中除推力梁及安装节外，其他结构只截取与推力梁连接部分；在截面上施加固定约束。根据试验加载情况，发动机载荷施加在安装节中心参考点上，参考点通过耦合约束与安装节关联起来。

有限元模型接触类型为面接触，接触对属性大部分为硬接触，为控制部分单元刚体位移，部分接触对定义摩擦接触类型，摩擦系数取0.05。

3 结果与分析

图3 试验情况1梁体应力云图

选取4套推力梁静力试验情况载荷，施加在有限元模型参考点上，分别进行计算，计算结果如图3～图7所示，推力梁静力试验中分别在梁体左右两边缘条外侧各粘贴三片应变片测量轴向拉（压）应力，如图8所示；将模型计算结果与试验测量结果进行对比分析，分析结果如表1～表4所示。

图4 试验情况2梁体应力云图

图5 试验情况3梁体应力云图

图6 试验情况4梁体应力云图

如表1~表4所示，试验情况1、4计算结果与试验结果误差较小，载荷情况2、3部分结果误差偏大，原因主要为试验情况1、4试验载荷较严重，推力梁应力水平高，而试验情况2、3试验载荷相对较小，应力水平低，导致误差率偏高；在相同试验情况下，使用固定约束有限元模型进行计算，相同位置处的应力水平与试验结果相差一个量级，如图7所示，在试验情况1工况下，固定约束模型梁体对应1号、3号应变片位置应力结果分别为-172MPa、279MPa，与试验结果相差很大，所以相对于固定约束模型，表2、3出现的误差率是可接受的。

图7 试验情况1固定约束计算结果

图8 试验梁体应变片粘贴位置示意

表1 试验情况1对比结果

表2 试验情况2对比结果

表3 试验情况3对比结果

表4 试验情况4对比结果

其次，推力梁安装静力试验是在全机试验机上进行的，推力梁连接结构有限元模型并不能完全模拟全机结构对推力梁的支持刚度，而且有限元仿真计算是一种理想模型，与实际结构的材料工艺品质有一定的差别，也会导致计算结果与实验结果产生一定的偏差。

4 结论

1）利用ABAQUS有限元分析软件接触算法针对推力梁连接结构进行强度计算，通过与试验结果进行对比分析，发现推力梁连接结构有限元模型能够很好的模拟大型复杂连接结构的受力形式，计算结果与实验结果较为一致。

2）通过建立连接结构的接触约束来模拟主要结构的支持约束，能够真实反映支持结构的支持刚度；通过误差分析和与固定约束模型对比分析，发现接触约束模型在计算误差小，计算结果能反映结构真实受力情况。

[1]石亦平.ABAQUS有限元分析实例详解.北京：机械工业出版社，2006.

[2]庄茁.基于ABAQUS的有限元分析和应用.北京：清华大学出版社，2009.

[3]张青峰，等.基于ABAQUS水下采油树下入工具有限元接触分析.机械工程师，2016.

[4]彭佑多.基于ABAQUS的碟式太阳能方位角驱动机构蜗轮蜗杆接触强度分析.湖南科技大学学报，2016.

[5]ABAQUS6.11User,Manual,ABAQUSInc,Province, RI,USA.2011.

[6]庄茁，张帆，岑松.ABAQUS非线性有限元分析与实例.北京:科学出版社，2005.

[7]Metallic materials and elements for aerospace vehicle structures,Department Of Defense Handbook, MIL-HDBK-5J,31 January 2003.

>>>作者简介

龚思楚，男，1987年出生，2012年毕业于哈尔滨工业大学，工程师，现从事飞机强度设计工作。

Structure Strength Analysis Based on ABAQUS Contact Arithmetics

Gong Sichu,Zhang Xianzheng，Mei Lixia,Huang Xiaoxia,Xiang Pan

(AVIC-HONGDU,Nanchang,Jiangxi,330024)

Module establishment with finite element normally adopts fasteners with specific restriction or connecting unit to simulate the typical connection structure,this simulating method may result in the over hardness of the support rigidity of the structure and cause the distortion of calculation result at connecting portion.The finite element module of thrust-beam connecting structure setup on basis of ABAQUS software uses contact pairs to simulate the connection of fasteners,and accomplish the stress analysis on finite element so as to compare the calculation results and test results.The analysis result shows the integral finite element module of connecting structure can nicely simulate the structure support rigidity and force bearing condition,the calculation result is consistent with the test result.

ABAQUS;Contact analysis;Boundary nonlinearity

2016-10-21）