某吊舱转接桁架结构静力特性分析

田玉艳， 王进， 吕超

（中国飞行试验研究院，河南 洛阳 710089）

某吊舱转接桁架结构静力特性分析

田玉艳， 王进， 吕超

（中国飞行试验研究院，河南 洛阳 710089）

针对某吊舱转接桁架结构的实际情况，采用有限元进行建模，模拟了在最大载荷作用下该结构的受力特性，验证该吊舱转接桁架结构能够满足使用要求，为其进一步的优化设计提供了可靠的理论依据。

转接桁架结构；特性分析；有限元

0 引言

吊舱是飞机改装工程中常见的加装对象，在飞机上挂装的方法通常有两种：一种是将吊舱接耳与飞机接耳直接连接挂装，另一种是通过转接桁架结构分别与吊舱接耳和飞机接耳连接挂装。后一种方法只需要改变转接桁架结构形式就能够在同一架飞机上挂装不同尺寸、形状的吊舱，减小飞机结构更改，提高飞机使用效率。本文采用有限元分析软件对某吊舱转接桁架结构进行静力特性分析，了解了该吊舱转接桁架结构的受力特点，验证该吊舱转接桁架结构能够满足使用要求，为其进一步的优化设计提供了可靠的理论依据。

1 有限元理论

有限元法是把求解区域看作由许多在节点处相互连接的小单元所构成，其模型给出基本方程的分片近似解，由于单元可以被分割成各种形状和大小不同的尺寸，所以它能很好地适应复杂的几何形状、复杂的材料特性和复杂的边界条件。

由弹性体的虚功原理可知外力作用下处于平衡状态的弹性体，外力在任意虚位移上所做的虚功等于弹性体整个体积内的应力在虚应变上所做的功。

即：

式中：W*为外力在任意虚位移上所做的虚功；U*为弹性体整个体积内的应力在虚应变上所做的功。

此外

式（2）、式（3）中：δ*为虚位移；F为外力；ε*为虚应变；σ为内应力。

将式（2）、式（3）代入式（1）得：

经简化得：

式中：B为几何矩阵；D为弹性矩阵。

由于虚位移为任意值，而实位移是节点位移，与坐标无关。故上式可整理成刚度方程：

则有刚度矩阵：

得到单元刚度矩阵后，可通过线性叠加的方法得到总刚度矩阵K,从而求解整个弹性体所需未知量。

2 吊舱转接桁架结构介绍

由图1所示，本文研究的某吊舱转接桁架结构是由主撑杆组合件、斜撑杆、吊舱连接接耳、飞机连接接耳等部件组成。吊舱连接接耳与挂装吊舱连接，飞机连接接耳与飞机机体连接。主撑杆组合件由框架主撑杆与辅助斜拉杆铆接而成，框架主撑杆与辅助斜拉杆截面形状为圆环，框架主撑杆截面尺寸为14 mm×2 mm，辅助型材截面尺寸为10 mm×2 mm。斜撑杆截面形状也为圆环，截面尺寸为25 mm×3 mm。

3 有限元模型建立

图1 吊舱转接桁架结构实体模型

将某吊舱转接桁架结构实体模型导入有限元分析软件中进行预处理。在导入前需要对模型进行简化处理，简化成可以分析的模型。因为实体模型包含的零部件较多，连接复杂。如果将实体模型直接导入有限元分析软件中，会增加网格划分难度和计算机计算量，且影响计算精度。在不影响结构受力特性和质量分布的前提下，将实体模型中的杆简化成长度相等的线元；将接耳各实体面简化成形状相同的二维面元；采用螺纹固定连接的零件在有限元分析软件中进行多点约束处理；同时简化掉影响不大的圆角、倒角等。简化后模型如图2所示。

由于吊舱转接桁架结构各零件受力情况复杂，因此划分网格时杆采用beam单元，接耳各面采用shell单元。单元疏密程度采用mesh seed数量和 global edge length值进行控制，共计105 412个单元，116 944个节点。吊舱转接桁架结构有限元模型如图3所示。

吊舱转接桁架结构各零件均采用合金钢，其参数为：屈服强度为530 MPa，弹性模量为2×105MPa，泊松比为0.3。

最后根据实际固定约束情况和承载情况对有限元模型进行边界和载荷条件约束。本文吊舱转接桁架结构上飞机连接接耳用螺栓和飞机固连，因此有限元模型边界约束端6个方向自由度均设置为0；吊舱转接桁架结构挂装吊舱重120 kg，并在垂直方向受3g过载时吊舱转接桁架结构承载最大，因此吊舱连接接耳上每个螺栓位置载荷约束值为<0,0,200 N>。

图2 吊舱转接桁架结构简化模型

图3 吊舱转接桁架结构有限元模型

4 有限元分析结果

利用NASTRAN计算得到最大载荷作用下吊舱转接桁架结构的应力、应变、位移和杆应力云图如图4～图7所示。

由图4可知，吊舱转接桁架结构最大应力位于主撑杆组合件飞机连接接耳上，其值为264 MPa，小于材料的屈服强度530 MPa；由图5可知，吊舱转接桁架结构最大应变位于撑杆组合件挂装吊舱端的斜拉杆上，此处为吊舱转接桁架结构受力最薄弱环节；由图6可知，吊舱转接桁架结构最大位移位于主撑杆组合件挂装吊舱连接接耳上，其值为0.485 mm；由图7可知，吊舱转接桁架结构杆的最大应力位于主撑杆组合件挂装吊舱端的斜拉杆上，其值为17.6 MPa，远远小于材料的屈服强度530 MPa。

图4 吊舱转接桁架结构应力云图

图5 吊舱转接桁架结构应变云图

图6 吊舱转接桁架结构位移云图

图7 吊舱转接桁架结构杆应力云图

由以上分析可知，该吊舱转接桁架结构强度满足使用要求，但吊舱转接桁架结构中杆的应力远远小于材料的屈服强度，可进一步优化吊舱转接桁架结构的形式，提高杆的承载效率，从而降低吊舱转接桁架结构的重量。

5 结论

文中针对某吊舱转接桁架结构的实际情况，通过简化、有限元建模，并在最大载荷作用下模拟其受力特性，得到了该吊舱转接桁架结构的应力、应变、位移和杆应力云图，通过分析验证该吊舱转接桁架结构能够满足使用要求，并为其进一步优化设计、提高结构承载效率、降低结构重量提供了可靠的理论依据。

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Static Characteristic Analysis on Transferring Truss Structure of a Pod

TIAN Yuyan， WANG Jin， LYU Chao
(Chinese Flight Test Establishment,Luoyang710089,China)

According to the actual situation of transferring truss structure of a pod,finite element method is used to simulate the force characteristics of the structure under the action of maximum load.It is verified that transferring truss structure of a pod can meet the requirement of use,and provides a reliable theoretical basis for further optimized design.

transfer truss structure;characteristic analysis;finite element

TU 323.4

A

1002－2333（2018）01－0072－03

（编辑昊 天）

田玉艳（1984—），女，工程师，从事试验机设计改装工作。

2017-04-21