工程結(jié)構(gòu)實例有限元分析

工程結(jié)構(gòu)實例有限元分析,王曉軍航空科學與工程學院固體力學研究所,工程結(jié)構(gòu)實例有限元分析,某型機前機身結(jié)構(gòu)靜力有限元分析某型機垂尾翼尖結(jié)構(gòu)有限元靜力分析某型直升機涵道尾槳有限元動力分析FRP蜂窩結(jié)構(gòu)標志底板有限元分析風機塔架的屈曲穩(wěn)定性分析,某型機前機身結(jié)構(gòu)靜力有限元分析,結(jié)構(gòu)簡介,某型機前機身結(jié)構(gòu)CATIA模型圖,某型機前機身結(jié)構(gòu)靜力有限元分析,某型機前機身，包括氣密艙段（5框12框）和設備艙段（3框5框）。某型機前機身氣密艙段是由長桁、縱向大梁、蒙皮與框組成的半硬殼式艙壁和前、后端框組成，形成一個能承受氣密載荷作用的封閉體。長桁和大梁一般都是穿過隔框直通的，由型材或機加鍛件構(gòu)成。蒙皮由鈑金件構(gòu)成，按照外形分為不同塊進行加工成型?？蛞话闶怯赦k彎件制成，受力嚴重的加強框則是由鍛件或機加件構(gòu)成。前端框為由縱、橫加筋的平板結(jié)構(gòu)組成；為改善受力特性，后端框為加筋的半球面形結(jié)構(gòu)。前機身氣密艙設有地板，地板由地板縱梁和橫梁構(gòu)成框架，橫梁與機身隔框相連，其上安裝有面板，共采用了兩種類型的面板。對于機頭部分，下部是前起落架艙，駕駛員地板是氣密的，為金屬板，形成氣密地板結(jié)構(gòu)。其它部分地板為非氣密地板，采用玻璃鋼板。氣密艙前部為設備艙。,某型機前機身結(jié)構(gòu)靜力有限元分析,前機身結(jié)構(gòu)傳力路線結(jié)構(gòu)所承受載荷僅考慮氣密壓力載荷作用。從機身結(jié)構(gòu)總體受力來說，長桁和大梁用來承受機身彎矩引起的軸力。蒙皮除了承受全部剪力和扭矩外，還要不同程度地承受軸力的作用。普通框的作用是維持機身外形，支持機身長桁和蒙皮。加強框除具有普通框的作用外，還要承受飛機其他部件、組件和設備等傳來的集中載荷。,某型機前機身結(jié)構(gòu)靜力有限元分析,有限元分析模型的建立根據(jù)如實地反映結(jié)構(gòu)的幾何形狀、構(gòu)造型式、材料特性、傳力路線、承載方式和邊界條件等因素的基本原則，將前機身結(jié)構(gòu)離散化為一個有限元分析模型。由于氣密艙段形狀不規(guī)則，其外形切面由圓弧、雙曲線甚至平直線組成，加上由于結(jié)構(gòu)布置上的需要，天窗骨架前部左右各有一個駕駛員彈射救生拋蓋開口，天窗骨架后部有一個操作員彈射救生拋蓋開口，艙段左側(cè)新開有登機門開口，形成一個復雜結(jié)構(gòu)的氣密艙段。在氣密載荷作用下，蒙皮不僅受剪應力，還受彎曲應力；長桁和框不僅受拉伸，還受彎曲。將蒙皮和隔框腹板等簡化為殼單元，長桁、框緣及縱橫加筋等簡化為空間梁元。對駕駛員拋蓋及操作員拋蓋的定位支座與掛鉤的連接采用多點約束(MPC單元)來模擬，二維殼單元向一維梁單元的過渡通過MPC單元模擬。,某型機前機身結(jié)構(gòu)靜力有限元分析,某型機前機身結(jié)構(gòu)總體有限元分析模型,某型機前機身結(jié)構(gòu)靜力有限元分析,載荷及邊界條件前機身結(jié)構(gòu)分析的載荷為氣密載荷，氣密壓強大小為0.04MPa。氣壓可通過在蒙皮、氣密地板、氣密端框簡化得到的殼單元上施加分布載荷來實現(xiàn)。,某型機前機身結(jié)構(gòu)靜力有限元分析,某型機前機身結(jié)構(gòu)靜力有限元分析,總體應力計算及分析對于前機身的前風擋玻璃，觀測窗以及12框堵蓋部位，在受力時并不傳遞彎矩，因此不能將這些部位與整體模型固連，應該簡支連接。因此，有限元模型中不能在此處消去重復節(jié)點?？梢詫⑶帮L擋玻璃、觀測窗以及12框堵蓋邊沿節(jié)點簡支，并在面單元上施加0.04MPa的氣密載荷，計算出這些部位周邊節(jié)點的約反力再將其反加到總體模型的前風擋玻璃框、觀測窗框及12框堵蓋口邊節(jié)點上。因此，總體應力分析時便可只分析除去前風擋玻璃、觀測窗及12框堵蓋的整體模型便可。,某型機前機身結(jié)構(gòu)靜力有限元分析,某型機前機身結(jié)構(gòu)靜力有限元分析,通過MSC.Nastran對總體模型進行應力分析，得出總體模型中最大殼單元應力為239MPa，最大梁單元應力為387MPa，殼單元最大位移為19.9mm，梁單元最大位移為8.13mm。,某型機前機身結(jié)構(gòu)靜力有限元分析,某型機垂尾翼尖結(jié)構(gòu)有限元靜力分析,結(jié)構(gòu)簡介某型機垂尾翼尖設計結(jié)構(gòu)如下圖所示。,某型機垂尾翼尖結(jié)構(gòu)有限元靜力分析,垂尾翼尖的所有結(jié)構(gòu)件均采用玻璃鋼結(jié)構(gòu)，由預浸料鋪設而成，單層厚度為0.25mm，單層材料的力學性能數(shù)據(jù)如下表所示。,某型機垂尾翼尖結(jié)構(gòu)有限元靜力分析,結(jié)構(gòu)受力特點垂尾翼尖為由蒙皮、前后梁、多隔板和天線罩構(gòu)成的無桁條、少翼肋結(jié)構(gòu)。蒙皮和隔板凸緣承受彎矩引起的軸向力。多隔板腹板承剪、多閉室承扭，受力高度分散，局部剛度和總體剛度均較大。,某型機垂尾翼尖結(jié)構(gòu)有限元靜力分析,垂尾翼尖結(jié)構(gòu)的有限元模型的建立根據(jù)如實地反映結(jié)構(gòu)的幾何形狀、構(gòu)造型式、材料特性、傳力路線、承載方式和邊界條件等因素的基本原則，將垂尾翼尖結(jié)構(gòu)離散化為一個有限元分析模型。由于垂尾翼尖結(jié)構(gòu)為由蒙皮、前后梁、多隔板和天線罩組成的全復合材料結(jié)構(gòu)，因而將它們均用層合殼單元來離散。垂尾翼尖有限元模型共包括層合殼單元1684個，節(jié)點1459個。垂尾翼尖結(jié)構(gòu)蒙皮有限元模型如下圖所示。,某型機垂尾翼尖結(jié)構(gòu)有限元靜力分析,某型機垂尾翼尖結(jié)構(gòu)有限元模型,某型機垂尾翼尖結(jié)構(gòu)有限元靜力分析,載荷工況考慮某型機在某飛行狀態(tài)下，垂尾翼尖結(jié)構(gòu)受到氣動載荷作用，如下圖所示。,飛行狀態(tài)下的氣動力分布,某型機垂尾翼尖結(jié)構(gòu)有限元靜力分析,邊界條件在邊界條件的處理上，為了能更真實的模擬垂尾翼尖的支撐剛度，將垂尾翼尖的有限元模型向下延伸建立整個垂尾有限元模型，在垂尾下部加以簡支邊界條件。,某型機垂尾翼尖結(jié)構(gòu)有限元靜力分析,有限元靜力分析結(jié)果,垂尾位移云圖,垂尾翼尖結(jié)構(gòu)第1鋪層最大失效指標分布,某型直升機涵道尾槳有限元動力分析,結(jié)構(gòu)簡述某型直升機涵道尾槳葉片結(jié)構(gòu)實體和翼型如下圖所示。,槳葉翼型圖,某型直升機涵道尾槳葉片結(jié)構(gòu),某型直升機涵道尾槳有限元動力分析,某型直升機涵道尾槳有限元動力分析,槳葉模壓圖,槳葉模壓局部放大圖,某型直升機涵道尾槳有限元動力分析,有限元模型的建立根據(jù)如實地反映結(jié)構(gòu)的幾何形狀、構(gòu)造型式、材料特性、傳力路線、承載方式和邊界條件等因素的基本原則，將涵道尾槳葉片結(jié)構(gòu)離散化為一個有限元分析模型。對于此槳葉分析共采用三種單元類型，蒙皮采用層合結(jié)構(gòu)殼單元Shell99，葉梁、泡沫塊、碳條及葉根布采用10節(jié)點三維結(jié)構(gòu)體單元Solid92及20節(jié)點三維結(jié)構(gòu)體單元Solid95。其單元幾何形狀如下圖所示。,某型直升機涵道尾槳有限元動力分析,Solid92,Shell99,Solid95,某型直升機涵道尾槳有限元動力分析,對槳葉進行有限元建模時，將蒙皮劃分三種不同類型的殼單元，有鈦包邊的地方采用4層層合殼單元，有加強條的地方采用6層層合殼單元，其它普通的地方采用3層層合殼單元。用ANSYS建立整體葉片有限元模型如下圖所示。,某型直升機涵道尾槳有限元動力分析,某型直升機涵道尾槳有限元動力分析,某型直升機涵道尾槳有限元動力分析,槳葉振動的共振圖,揮舞共振圖,扭轉(zhuǎn)共振圖,FRP蜂窩結(jié)構(gòu)標志底板有限元分析,結(jié)構(gòu)簡介某FRP蜂窩結(jié)構(gòu)標志示意圖和標志底板結(jié)構(gòu)三維圖如下圖所示。,FRP蜂窩結(jié)構(gòu)標志底板有限元分析,FRP蜂窩結(jié)構(gòu)標志底板為蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，底板尺寸為，上下面板為玻璃鋼材料，厚度均為1mm；芯層為鋁蜂窩，厚度為23mm；底板內(nèi)預埋有兩金屬型材料，截面為空心矩形，寬度為70mm，壁厚為3mm，長度為1m；用以固定外面的鋁滑槽，長度為600mm，其三維結(jié)構(gòu)如下圖所示，鉚釘直徑為5mm。,FRP蜂窩結(jié)構(gòu)標志底板有限元分析,有限元分析模型的建立,FRP蜂窩結(jié)構(gòu)標志底板有限元分析,FRP蜂窩結(jié)構(gòu)標志底板有限元分析,根據(jù)如實地反映結(jié)構(gòu)的幾何形狀、構(gòu)造型式、材料特性、承載情況和邊界條件等因素的原則，將FRP蜂窩結(jié)構(gòu)標志底板結(jié)構(gòu)離散化為一個有限元分析模型。考慮到結(jié)構(gòu)、承受載荷、邊界條件的對稱性，只建立如圖13.14所示的1/4模型進行計算分析?；鄹浇Ｐ头糯髨D如圖13.15。其中在預埋件附近的模型包括預埋件、鋁滑槽、鉚釘均采用三維體單元（PSOLID），預埋件以外部分模型均采用二維復合材料殼單元（PCOMP），三維單元向二維單元的過渡區(qū)采用MPC（RBE3）單元來連接。,FRP蜂窩結(jié)構(gòu)標志底板有限元分析,1/4有限元分析模型圖,滑槽附近模型放大圖,FRP蜂窩結(jié)構(gòu)標志底板有限元分析,載荷及邊界條件結(jié)構(gòu)受風壓載荷作用，基本風壓大小為，動載系數(shù)取為1.4，則實際加載風壓為，其最不利情況為風壓加在面板背面，且風向與面板垂直。,FRP蜂窩結(jié)構(gòu)標志底板有限元分析,在邊界條件的處理上，在對稱邊上采用對稱邊界條件?？紤]到立柱與螺栓足夠牢固并視其不變形，在鋁滑槽的擋塊處加固定約束。,FRP蜂窩結(jié)構(gòu)標志底板有限元分析,有限元計算結(jié)果根據(jù)FRP蜂窩結(jié)構(gòu)標志底板結(jié)構(gòu)的傳力情況，蜂窩夾層板、鋁滑槽、鉚釘及擋塊之間均為接觸傳力而并非為完全固連，因而此問題屬于接觸問題，需進行接觸分析計算。從力學分析角度看，接觸是邊界條件高度非線性的復雜問題，需要準確追蹤接觸前多個物體的運動，以及追蹤接觸發(fā)生后這些物體之間的相互作用。接觸問題模擬計算的一般目的是為了確定接觸面積及計算所產(chǎn)生的接觸壓力。采用軟件中的接觸分析求解器進行應力計算。,FRP蜂窩結(jié)構(gòu)標志底板有限元分析,