基于ANSYS的机翼接头强度分析及优化设计

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图1机翼接头实体结构
图3第一主应力云图
图2机翼接头有限元计算模型
螺栓孔的应力集中和底板的强度是研究重点。为了研究孔边
应力集中,在有限元模型中,采用接触单元targei70和contal74
设置接触对约束模拟螺栓与螺栓孔的相互作用,为了提高接触的
模拟精度,螺栓孔周围采用映射网格划分,格网划分要细;接头的
金属叠片联轴器由于能够较好地补偿柴油机曲轴与电机转
莱森玛Leroysomer)同类产品的联轴器叠片设计数量是相等的。
参考文献
1闵旭光,程世海.柴油发电机组同轴度的测定方法[J].电机与控制应用, 1987.14(4):50
2申屠留芳,汤洪涛,王成轩.叠片联轴器膜片的应力及其影响因素分析[J]. 机械强度,1998,20(4):276五79
1有限元模型的建立
机翼接头是由底板、横肋、纵肋、侧肋、固支端等部分组成,如 图l所示。用薄板模拟飞机机翼的蒙皮和长桁,接头和机翼是由 一组高强度螺栓联接的。计算模型,如图2所示。用上、下两个同 样规格的接头夹住蒙皮和长桁模拟件,即接头采用对称布置,并 用一组螺栓把三者连接在一起,为了避免在施加拉力过程中由于 偏心荷载产生附加弯矩和附加应力,在上、下接头的固支端面施 加固定约束条件,在模拟件的最外端施加400KN的水平拉力。
★来稿日期:2008--09—03
较小,所以只在水平拉力下对接头进行深入研究。
500KW同步发电机联轴器叠片的最大弹性变形是0.00067937 米,即0.68ram。而设计要求是要接近但不能大于O.15mm,所以, 按照几块叠片迭加,其受应力、应变量呈线弹性变化规律,必须要 0.68:-0.15—5块叠片迭加使用,才能保证叠片在x、y、z三个方向
关键词:ANSYS;螺栓孔;有限元;应力分析;接触分析;机翼接头;优化设计 【Abstract】Strength analysis ofthe wingjoint is made based On ANSYS,and the stress concentration of bolt holes is studied.The stress distribution law of the wing joint is obtained by finite element analysis ofthe wingjoint under different conditions.A nd the wingjoint is improved according to the stress distribu- tion law,m41kes the stress concentration of bolt holes decreased effectively.So the aided design method of
图5路径一和二的位置示意图
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图6路径一的应力曲线
(1)随着螺栓预紧力的增大,接头的Mises应力有所降低,根 据预紧力的选择准则,选择1 0000N的螺栓预紧力。
第7期
机械设计与制造
2009年7月
Machinery Design&Manufacture
47
文章编号:lOOl一3997(2009)07—0047-02
基于ANSYS的机翼接头强度分析及优化设计
王增山虞伟建王开福 (南京航空航天大学航空宇航学院,南京210016)
Strength analysis and optimization design for wing joint based on ANSYS
极限[以]=16(k加唧2)。
元法可以比较准确地确定柴油发电机组联轴器叠片数量。通过对 江西省南昌市某知名电机企业500KW等容量的无刷三相同步 发电机联轴器的设计可知,用本文的方法求出的联轴器叠片数 量,和国外著名的电机制造公司(美国的斯坦福Stamford、法国的利
3结束语
图6叠片最大弹性变形查询图
(2)从工况四、五可得,在过盈量不大时,应力集中增加不大, 但随着过盈量的增加,应力集中增加很快,因为在螺栓与接头的 弹性模量比值为3:l时,相对干涉量只需达到0.62%(即过盈量 为0.0496mm),接头的底板就会局部屈服…】。
(3)工况六中,把接头的材料改成弹性模量很大的合金钢,它 的Mises应力达到了1146兆帕,应力集中很大,超过铝合金的强 度极限,不宜采取此工况。
(4)在工况七中,应力增加不大,但是位移有所增大,从减重 的角度来说,可以适当地减小端部的厚度。
(5)工况八中,随着螺栓孔半径的增大,螺栓孔的应力集中有 所降低,从缓解应力集中角度讲,可以适当的增大螺栓孔的半径。 2.3模型的改进
通过对以上各个工况的分析,为了减小螺栓孔的应力集中, 在实验模型的基础上把接头端部减少10ram,螺栓孔的半径增大 lmm,由于接头前后端的螺栓传力大,所以两端各增加2个螺栓, 接头的前端两排和后端两排螺栓用0.09mm的间隙配合,中间部 分的螺栓用过盈量为零的过盈配合。经计算,接头的最大Von Mises应力为319.83MPa,比原来的491.66MPa降低了34.95%, 改进后接头的Von Mises应力云图,如图8所示。
料,弹性模量是210GPa,强度极限是1700MPa。分别对八种不同 型左下方螺栓孔顺时针方向的封闭圆环,路径如图5所示。画出
工况进行了计算和分析:沿路径上的第一主应力分布曲线,如图6、7所示。
万方数据
No.7
Jul.2009
机械设计与制造
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沿路径的应力曲线符合螺栓孔的理论应力曲线,可以看出只 在螺栓孔周围的应力比较大,而远离孔的部分的应力水平很低, 所以接头的较高应力是由于螺栓孔的应力集中引起的。由于螺栓 挤压螺栓孔的前端,使得螺栓孔的前端受压,螺栓孔的左右部分 受拉,路径二的应力曲线与实际受力情况相符,说明设置接触对 能准确的模拟螺栓与螺栓孔的相互作用关系。
WANG Zeng—shan,YU Wei-jian,WANG Kai-fu (College of Aerospace Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China)
【摘 要】利用ANSYS软件对机翼接头进行强度分析,并对螺栓孔的应力集中问题进行研究。通过 在不同工况下对接头的有限元分析,得出了接头的应力分布规律,然后根据分布规律改进了接头模型,有 效地降低了螺栓孔的应力集中,为结构优化设计提供了一种辅助设计方法。
机翼荷载传递到机身上去,它是飞机中重要的传力构件Il】o从受力 研究的接头是簸萁形高强度受拉对接接头,作用在接头上的荷载
角度看,机翼、机身和尾翼是飞机最重要的三部分,而且在飞机结 有水平拉力和弯矩两种,接头主要承受水平拉力荷载,弯矩影响
㈣■蝴】目删,目l,H-‘,-o‘,h}‘■H'l】■O‘,㈣,Ht,州,H'l,H堰,∞●,目蝴■HH‘,㈣,一,”‘】H蠼,-Ol■H洲】H㈣,恻,k 构中,连接件所占的比重较大,疲劳破坏也经常发生在连接部位四,
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版社,1994(7)
万方数据
48
王增山等:基于ANSYS的机翼接头强度分析及优化设计
第7期
ANSYS软件是融结构、热、流体、电磁、声学于一体的大型通 用有限元软件,具有强大而广泛的分析功能,可以减少或避免物 理测试过程,通过计算机模拟各种工况下结构的工作状况,准确 地计算其变形和应力,使产品在设计阶段就对其各项性能进行评 估,及早发现并及时改进设计上存在的问题,可用APDL参数化 设计语言建立结构的有限:gtt'g模型,该程序具有良好的开放性 和可调性,只要改变设计参数就能改变设计模型,极大地减少了 设计人员的劳动强度,同时大大缩短了设计研发周期。利用 ANSYSl0.0中的APDL(参数化设计语言)建立有限元模型并进 行强度分析,得出应力分布规律,提出合理的模型,为接头的设计 提供理论依据。
从第一主应力云图来看,接头的前端表面主要受压,后端表 面主要受拉;从Yon Mi辩s云图来看,接头两端的螺栓孔周围应 力集中比较大,中间部分的螺栓孔周围应力水平较低,说明接头 的两端连接螺栓上分配的倚载最大,中间部分的螺栓上分配的荷 载最小,这符合接头的的各个连接螺栓的荷载分配规律四。最大 Yon Mises等效应力是491.66MPa,小于材料的屈服强度。工况二 的第一主应力和Von Mises应力云图,如图3、图4所示。
structural optimization is propose&
Key words:ANSYS;Bolt hole;Finite element;Stress analysis;Contact analysis;Wing joint;0p-
timization design
中图分类号:THl22,0242.21 文献标识码:A 机翼接头是连接机身与机翼的部件,通过一系列螺栓连接把 从飞机的安全角度来讲,机翼接头的强度校核就显得尤其重要。
轴回转中心线不对中误差,而且寿命长、加工安装工艺性好,因此 它成为了柴油发电机组目前最常用的联轴器。设计这种联轴器的 难度在于求解它的叠片最佳的弹性变形值及所受的相应最大内 应力,从而确定厚度及材质已知的叠片的数量。实践证明,用有限
上的综合变形接近但不大于0.15ram。当然还要查询叠片受到的 最大内应力,比较它是否不大于不锈钢OCrl8Ni 10Ti的许用屈服
2仿真结果与分析
有限元模型建立后,在求解器中进行各个工况下的计算仿 真,然后通过ANSYS的后处理器模块可以提取模型的计算值,也 可以用云图显示模型的应力图和位移图等。接头主要受拉压力作 用,可以通过ANSYS后处理器(POSTl)中的第一主应力、第三主 应力和Von Mises应力来判断它是否满足的强度要求。其中第一 主应力的情况最主要,因为第一主应力反应地是拉应力情况,拉 应力会加剧裂纹的扩展,对接头的安全使用影响很大。 2.1工况一的结果分析

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图7路径二的应力曲线
2.2各个工况下的计算结果
各种工况F接头的第一主应力、第三主应力和Von Mises等
其它地方用自由网格划分。用SOLID95和SOLID92号实体单元
图4 Von Mises云图
建立模型,共106457个实体单元。接头和蒙皮模拟件用硬铝合金
为了更好地研究螺栓孔的应力集中问题,选取两条路径分析
材料,弹性模量是70GPa,强度极限是560MPa,螺栓用合金钢材 受力,路径一是靠前端两螺栓孔间的横截面直线,路径二是沿模
(1)按光弹性试验的实际模型尺寸和材料计算,接触地方全 部设置接触对约束,螺栓施加10000N的预紧力;
(2)不施加螺栓预紧力,其它同工况一; (3)给螺栓施加15000N的预紧力,其它同工况一; (4)螺栓和螺栓孔过盈装配,过盈量为O.02mm,其它同工况一; (5)过盈量为0.04ram,其它同工况一; (6)把接头材料改为合金钢,其余同工况一; (7)固支端部的厚度减小10ram,其余同工况一; (8)在工况一的基础上,把螺栓和螺栓孔的半径增大lmm。
效应力的最大值分别,如表1所示。
表1各种工况下接头的结果列表
从表中看以看出:
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