飞机结构整体优化和细节

摘 要：飞机结构复杂,部件众多,连接形式复杂,传统的单一计算方法已很难满足计算要求,为更好地挖掘飞机的承载能力,还要考虑结构局部进入塑性区应力分布.对飞机结构进行有限元分析,有时需同时考虑整体和局部,大型结构采用较密的网格会耗费大量时间、资源等,甚至会导致计算不收敛；局部结构须划分较细的网格才能得到局部构件的细节应力.以某型飞机机翼为例,简单介绍开展飞机结构整体优化和细节分析的方法与流程.

关 键 词：飞机结构；整体优化；细节分析

中图分类号：V215.2文献标志码：B

0引言

在保证结构刚度和强度等条件下,以减重为目标的结构优化设计受到越来越广泛的重视.机翼典型构件优化设计主要包括翼肋结构的拓扑优化设计、翼梁结构的优化设计、蒙皮以及桁条加筋壁板优化设计等.

Altair公司、Airbus公司和BAESYSTEMS公司已经使用商用软件对A380机翼翼肋进行拓扑优化.[1]针对蒙皮以及桁条加筋壁板优化设计,朴春雨和章怡宁通过采用罚函数,将有约束问题转化成无约束问题,然后采用Powell法对无约束问题进行优化求解[2].机翼结构优化设计应基于机翼整体模型,在满足机翼整体强度和刚度条件下,优化主承力件的主要尺寸,此时,机翼有限元模型网格不能也不需要太密,太密会使计算时间长,也可能导致计算不收敛.因此,飞机结构强度计算部门经常采用比较简化的整体模型分析机翼的应力和载荷分布.

对于大型结构,有时既要考虑结构整体,又要考虑用户关心的危险区域,如应力集中区域,结构形状突变区域等；疲劳专业有时需要确定连接件的钉传载荷和旁路载荷,进而确定结构的应力严重因数,以便开展疲劳寿命计算.对于这些局部区域的细节分析,若网格划分太稀疏,则达不到计算要求；而对于这些区域之外的结构其他部分,较稀网格已经足够.

要得到这些区域较精确的解,可以采取2种办法[3-10].一种是采用子模型法,对局部区域进行网格细化,在整体模型上进行分析.子模型技术是分析大型复杂结构局部应力的有效手段,已在一些大型复杂工程中得到成功应用.如万定生等[8]采用子模型法对大跨径混凝土斜拉桥桥面板局部进行有限元结构分析；王乘等[9]采用子模型法对混凝土高拱坝的底孔进行三维非线性分析；王汝传[10]采用子模型法分析钢箱梁关键部位的应力.另外一种是采用先整体后局部的分析方法,该方法基于整体分析确定局部区域的外界载荷（对于飞机机翼结构,包括气动载荷以及其他区域传递给需要考核的细节区域的节点载荷）,进而取出细节区域进行网格细化,开展局部区域的细节分析.

细节分析的区域往往包括众多机械连接,飞机结构机械连接广泛采用多钉连接,国内外对多钉连接研究较少,方法不一.目前,对多钉接头的研究主要包括接触有限元方法、解析法以及钉元法等几种方法[11-12].接触有限元方法计算钉载及孔边应力分布,能较好地模拟每个钉的受力状态,但对网格的要求比较严格,且耗费大量时间和资源；网格质量达不到保证,会导致大型复杂结构多钉连接的计算结果不够准确.[13]解析法检测定一定接触压力分布形式,较难适应板厚变化等一般工程情况,适用范围比较窄.[14]钉元法物理概念明确、模型简单且计算效率高；内部采用迭代法确定接触区,抛弃人为接触力检测设,避免了试验测定P-δ曲线困难的问题[15].

本文以某型飞机机翼为例,简单介绍基于MSC开展飞机结构整体优化和细节分析的方法与流程.[16]

1某型飞机机翼整体优化和细节分析流程飞机结构强度计算是个由粗到细的过程,整体优化和计算常采用较粗的网格,细节分析常采用较细的网格.以某型飞机机翼为例,简单介绍整体优化和细节分析的大致流程,某型飞机机翼整体优化和细节分析流程见图1.

4结束语

有限元计算是飞机结构强度计算的重要手段,对同一部位可以针对不同目的,建立不同形式的有限元模型,有限元模型的疏密以及复杂程度取决于计算精度和简化要求.为全面开展飞机结构强度计算,需要综合利用整体优化和细节分析方法,权衡计算精度和耗时.