机翼机身对接接头非线性有限元分析

　　1　引言

　　现代超音速战斗机常采用中单翼布置,受机身部位安排的限制,不能有中央翼通过机身,此时机翼通过几个集中接头与机身在侧边相连,机翼机身连接大多采用固定连接形式。机翼载荷完全由接头耳片及连接螺栓传递到机身对接框,因此若直接将如此结构高度的翼梁连接到加强框上,机翼机身对接接头耳片、连接螺栓及加强框受力都是比较严重的[1-5]。由此,现代先进战斗机在总体设计时,必须要对机翼机身对接接头进行强度校核以及优化设计。

　　目前对接头问题的研究有很多,孙庚茂、丁惠梁等采用钉“超元”模拟复合材料的连接[6],宋恩鹏等采用梁元和弹簧元分别模拟螺栓连接[7],张永杰等采用体单元对螺栓连接进行刚度分析[8]。采用螺栓、弹簧元或钉元模拟螺栓连接都是从整体结构承载出发,给出了有限元仿真中螺栓连接的简化方法,但不能解决螺栓的预紧力、孔边接触应力、接头的屈服极限等方面的问题。而大部分接头的出现都会伴随着孔结构的产生,孔边的受力由于要考虑摩擦和接触问题,使结构孔边周围呈现出非线性特征,有时为了更大的挖掘接头结构的承载能力,甚至还要考虑结构局部进入塑性区应力分布,这就更增加了非线性程度以及求解接头接触问题的复杂性[10]。随着有限元软件的发展,接触问题的数值方法得到了很大的提高,通过不断细化网格可以得到逼近精确解的数值解。结合某型飞机机翼机身对接接头,介绍了一种基于非线性有限元分析方法,采用大型非线性耦合分析软件MARC,通过HYPERMESH不断细化网格进行飞机机翼机身对接接头弹塑性接触仿真分析的新方法。

　　2　机翼机身对接接头分析方法及实现

　　工程中存在各种各样的接触问题,如滚珠轴承、螺栓连接,铆钉连接,以及在金属板冲压成型过程中板模间接触等。这些接触问题可分为弹性接触问题、弹塑性接触问题、耦合热弹性接触问题。飞机对接接头结构复杂,接头区域部件众多,接头区域有机身与机翼接头、螺栓、螺母以及垫圈等部件,部件与部件之间的接触并非简单的一对一接触,有的区域部件甚至是一对多或者多对一的接触。对接接头是机翼与机身连接的桥梁,是飞机主承力部件与机身连接的纽带,是飞机的主要传力部件。对接接头的强度分析是机翼乃至整个飞机强度设计的重中之重。为了更好的挖掘对接接头的承载能力,需要考虑接头的塑性行为,属于弹塑性接触问题,属于材料非线性与力边界非线性耦合问题。现在的有限元法已经相当成熟,但在处理断裂、损伤等材料破坏问题,各种非线性问题、流体问题和大规模复杂结构的求解效率、误差界限和收敛速度的估计,网格剖分的自动化,自适应有限元,以及有限元和优化相结合的计算机辅助设计等等方面还待发展。基于弹塑性接触有限元分析方法采用有限元软件进行对接接头仿真分析[3-4],机翼在飞行过程中主要承受气动载荷,对接接头作为传力构件主要承受弯矩载荷,剪切载荷对接头强度计算影响不大,可以只考虑在机翼接头一侧加弯矩载荷的情况。