ABAQUS 某型飞机中外翼对接带板细节有限元模型应力分析.doc

某型飞机中外翼对接带板细节有限元模型应力分析陈亮 洪海明（沈阳飞机设计研究所）ANSYS 摘要：某型飞机的中外翼对接带板属于疲劳薄弱部位，为对该部位的疲劳寿命作出合理的估算，需对该部位的应力分布进行准确的计算。本文利用ABAQUS软件的接触分析功能对中外翼对接带板的细节应力进行了计算，给出了有限元的计算结果。1 接触算法的理论基础接触算法有罚刚度法、拉格朗日乘子法和改进的拉格朗日乘子法，在ABAQUS软件中使用较多的是拉格朗日乘子法，下面对拉格朗日乘子法做一简单的介绍。考虑使泛函取驻值的问题，且未知函数u还需服从附加的约束条件： C（u）=0 在域上 （1）引入附加条件（1）构造另外一个泛函 （2）式中是未知函数u必须服从条件（1）时的泛函，是域上一组独立坐标的函数向量，称为拉格朗日乘子，*称为修正泛函。这样，原泛函的有附加条件驻值问题转化为泛函*的无附加条件驻值问题。*的驻值条件是它的一次变分为0，即： （3）在使用拉格朗日乘子法时，应该注意到：1）方程组的阶数随着向量的引入而增加，从而增加了计算的工作量；2）方程组的系数矩阵存在0对角元素，因此在ABAQUS中求解时要用Direct求解器，而不能用Iterative求解器（图1）。图1 使用拉格朗日乘子法时必须选择Direct求解器在ABAQUS软件中，由（3）式可得： （4）（4）式是与ABAQUS软件中硬接触（Hard Contact）相应的虚功方程，对于其它的接触形式，也可以推导出类似的方程。式中p在ABAQUS软件中定义为接触力（Contact Pressure），其理论意义与（3）式中的相同，h为主面节点侵入从面的距离。当p=0、h0时，接触点闭合。在ABAQUS中，接触的求解步骤如图2所示。开始增量确定接触状态加上约束撤消约束执行迭代检查接触的变化平衡检验结束增量步点打开：严重不连续迭代点闭合：严重不连续迭代收敛不收敛没有变化闭合打开p0h0图2 接触的求解步骤2 有限元模型的建立由于接触算法的复杂性，不可能将整个机翼的对接带板作为研究对象进行细节应力的计算，因此从对接带板中取出受载最大的一段，进行适当的简化。利用ABAQUS的前处理模块建立对接带板段的几何模型，给模型赋予正确的材料属性及载荷、位移边界条件等，如图3所示。在进行接触非线性的求解时，接触对的定义和单元的选择对结果的精度起着决定性的作用。对于本例，零件1（中央翼带板）和零件2（外翼带板）的接触区域是重点关心的部位，应正确定义接触对并选择合理的单元，以最大限度地减小穿透量、最真实地模拟应力分布。对于其它不关心的部位，要求可以放宽一些，只要能够合理地模拟载荷传递就可以了。由于ABAQUS在计算接触问题时，允许主面穿透从面，因此为了减小穿透量，可以定义主从面的对称接触对应用了两次主从接触算法，在第二次搜索过程中将主从表面对调。另外，为了减小穿透量，还可以控制穿透值HCRIT默认值为从面特征单元长度的一半。图4示出为了减小穿透量，对接触对进行的控制。但也要注意，要合理地定义主从面的对称接触对，在一个分析模型中定义的对称接触对也不要太多，否则会造成过约束而无法完成计算。为了减少计算量，可以在滑动量很小的部位（如螺栓与孔的接触），将滑动类型定义为小滑动。图3 中外翼对接带板的有限元模型图4 为减小穿透量对接触对进行的控制文献2建议，在进行接触分析时，接触区域的单元应选择一阶减缩积分单元或选择二阶的C3D10M单元，因此对于分析中重点关心的零件1和零件2的接触区（包括连接螺栓）选择的单元类型为C3D8R，其它部位选择的单元为C3D4，共有单元207531个，其中C3D8R单元有26054个，C3D4单元有181477个。3 有限元计算结果将建好的中外翼对接带板的有限元模型提交ABAQUS/Standard进行计算。由于模型的规模较大，因此在提交时指定输入文件处理内存（Analysis Input File Processor memory）为800M，指定用于计算的内存（ABAQUS/Standard memory cap）为1024M。在P4-3.2G2CPU，4G内存的计算机上运了12422s。由于本次计算的目的是为了摸清疲劳薄弱部位的应力水平，进而能够合理地估算出薄弱部位的疲劳寿命。中外翼对接带板的受力形式是单向拉伸的，由于疲劳破坏的形式基本都是拉伸破坏的，因而我们只关心有限元计算结果中沿受力方向的拉应力。图5和图6分别给出了外翼带板和中央翼带板的拉应力分布情况。从应力的分布图上可以看出：孔边的拉应力最大，外翼带板处的最大拉应力为449MPa，中央翼带板处的最大拉应力为400MPa。图5 外翼带板的拉应力分布情况图6 中央翼带板的拉应力分布情况4 结论对于飞机结构来说，其连接件的形式较多，为了能够准确地估算出飞机结构连接件的疲劳寿命，需要准确地计算出连接部位的细节应力。本文选择接触分析功能强大的ABAQUS软件，对飞机结构的连接件中外翼对接带板处的应力分布进行了计算分析，从最后的应力分布情况来看，计算结果是合理的，有限元计