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基于SolidWorks Simulation的某型号飞机应急舱门优化设计

发表时间: 2017/5/9 作者: 辛顺强*李刚
采用有限元法,以某型号飞机应急舱门的设计为研究对象,探讨基于SolidWorks Simulation的有限元法在航空器设计过程中的应用。首先应用SolidWorks 软件建立飞机应急舱门的三维模型,然后应用SolidWorks Simulation进行舱门的静力学分析计算,优化舱门的三维模型。实践证明,基于SolidWorks Simulation的有限元法对航空器的设计质量有明显的提高。
 

    飞机应急舱门是飞机上具有运动功能的部件,它的安全性和可靠性,直接关系到紧急情况下机上人员的安全。如果设计强度不足,可能发生飞行时应急舱门的意外打开,造成泄压,改变飞行空气动力学布局,严重时会导致飞机解体坠落;若设计过强,则会导致结构增重,影响飞机的经济性。因此,基于有限元法的飞机应急舱门优化设计应运而生。张友坡[1]采用SOL101 求解器对典型飞机舱门结构的有限元仿真技术进行了研究。阎修权,张方利用MSC Nastran,MSC Adams,MSC Fatigue联合分析舱门在风载荷作用下的强度,得到该舱门在该风载作用下的疲劳强度。冯玉龙,方雄利用Patran/Nastran软件对舱门与机体主承载结构之间的相对变形进行了研究。

    SolidWorks Simulation 是一个集成于SolidWorks的有限元分析系统,它可进行静应力分析、热力分析、弯曲分析、疲劳分析和跌落测试等分析。SolidWorks Simulation解算器快速、功能强大,工程师能够使用个人计算机快速解决大型有限元分析问题。

    本文研究了应用SolidWorks Simulation软件,基于有限元法的飞机应急舱门优化设计方法。

    1 飞机应急舱门的SolidWorks建模

    某型号飞机应急舱门结构示意图如图1 所示,其结构由纵梁、横梁、围框、挡块、内蒙皮、外蒙皮构成。

    截取飞机曲面,以飞机气动曲面作为建模的基础。使用SolidWorks 软件的曲面剪裁、曲面加厚,组合等命令制作一系列零件;然后自下而上装配,保存为SLDPRT格式文件,建模完成。三维模型如图2所示。

    应急舱门各主要受力部件功能如下:

    (1)横梁:机加件,重要受力件,将弯曲载荷传递给围框。

    (2)围框:机加铆接组件,重要传力件,将舱门传递的载荷传递给挡块。

    (3)挡块:机加件,将整个舱门传递的载荷传递给飞机机体。

    (4)纵梁:机加件,连接件,将横梁连成一体,提高横梁的整体承力能力。

    (5)内外蒙皮:钣金拉伸件,连接件,同时承受舱门内外压力差,将载荷传递给梁和围框。

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    图1 应急舱门结构示意图

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    图2 应急舱门三维模型

    1- 纵梁,2- 横梁,3- 围框,4- 挡块,5- 内蒙皮,6- 外蒙皮

    2 飞机应急舱门的SolidWorks有限元分析

    有限元分析(finite element analysis, FEA)是将连续体离散化,通过对有限单元插值求解各种力学、物理问题的数值分析。

    有限元法冲破了传统力学理论的束缚,提高了复杂应力分析的精度和效率。本文采用SolidWorks Simulation完成有限元分析及结构优化。建立有限元模型是进行有限元分析的前提,也是提高分,缩短产品投向市场的时间。

    2.1 设置材料属性

    飞机应急舱门拟选用钛合金Ti-8Mn或铝合金7050-T7651,材料参数如表1 所示。SolidWorks materials材料库中有这两种材料,可以分别直接选用。

    2.2 建立力学模型

    根据应急舱门所处位置的结构和功能,挡块的位移由飞机机体的变形决定,本文可忽略挡块的位移;选择夹具为固定,通过固定几何体,固定挡块的位移。

    假设飞机在5000m高空飞行,此时飞机舱内外压差位0.5个大气压,压力方向由内向外;选择外部载荷为压力,压力受力面为内蒙皮内表面。

    零部件接触类型设定为结合,全局接触,兼容网格。力学模型如图3所示。

    2.3 划分网格

    划分网格是有限元分析中的重要环节,网格的优劣直接影响到有限元分析的成败。根据应急舱门的结构特点和载荷类型选择实体网格,网格采用雅可比4点网格,网格划分后的效果如图4所示

    表1 材料参数

    3

    4

    图3 力学模型

    5

    图4 网格划分




责任编辑:张纯子