【《A320飞机主起落架减震支柱的几何建模与网格划分分析》6600字（论文）】

A320飞机主起落架减震支柱的几何建模与网格划分分析目录TOC\o"1-3"\h\u1924A320飞机主起落架减震支柱的几何建模与网格划分分析 1113931.1ANSYS软件的建模方法 1240801.1.1创建几何实体模型 1233591.1.2建模前的问题规划 250661.1.3模型的简化 3268371.2起落架减震支柱模型 42271.2.1减震支柱外筒筒体的建立 4311321.2.2减震支柱外筒下部撑杆支座的建立 5310951.2.3上扭力臂支座的建立 6301491.2.4减震支柱外筒上接头的建立 780461.3减震支柱活塞杆模型的建立 8205181.3.1活塞杆筒体的建立 8226711.3.2活塞杆下部模型的建立 8175561.3.3扭力臂及其它约束构建的建立 9127921.3.4建模小结 10209611.4实体模型网格划分 1011801.1.1网格划分的方法 1053651.1.2网格划分的大小控制 1126841.1.3材料属性和单元类型 1155411.1.4减震支柱外筒筒体的网格划分 16211561.1.5单元质量检查 171.1ANSYS软件的建模方法ANSYS提供了三种模型创建方法：实体模型生成，直接模型生成以及用于模型生成的计算机辅助系统输入。自己创建模型是一种自己定义节点和元素的方法，这种方法对于创建小型或简单模型更为方便，您可以控制每个元素的特定形状和节点数，但是在创建模型之前，先确定其大小确定您节点的形状，形状和特定位置时，它既麻烦又容易出错。通过直接生成方法构造复杂的结构模型会耗费大量时间和精力，而创建实体模型的方法会减少该领域的工作量。1.1.1创建几何实体模型有两种方法可以建立ANSYS几何实体模型。1.自下而上的构造方法：首先，设置模型中最低级别的基本图元的关键点，然后使用这些关键点定义更高级别的实体图元。换句话说，它由点连接，然后曲面被线包围，最后被曲面包围。2.自上而下的合成方法：首先创建一个特定的元素，然后ANSYS自动创建依赖于该元素的所有低层元素，然后从高到低逐步构建模型。修改模型时，如果实体已经施加了负载，则如果删除或修改了实体，则还将从数据库中删除了附加到实体的负载[35][37]。无论采用哪种方式进行几何建模，实体元素的布尔运算、拖拉、旋转、镜像、拷贝、移动等功能都是经常用到的，利用这些功能可以由一些能够直接创建的几何体素，创建出比较复杂的不能直接创建的几何体，同时可利用结构的对称性或规律性由单个几何体生成多个几何体，从而方便建模，减少建模过程的工作量。1.1.2建模前的问题规划在利用ANSYS对问题进行分析时，在建模前首先要明确分析的目的。这一步是非常重要的，因为开始时建立的目标将影响到生成模型时的各种选择[32]。1.模型的选择有限元模型可以分为二维和三维两种，可以由点单元、线单元、面单元或实体单元组成，也可以由不同的单元类型组成，此时要保证自由度的相容性。要根据待分析的问题决定是创建二维的模型还是三维的模型，一般来说二维模型的创建过程要比三维模型的创建过程更加方便。2.利用对称性许多模型都有某种对称性，如重复对称、反对称和轴对称。在分析过程中要善于利用模型的对称性。充分利用模型的对称性，能够很大程度的减小建模和计算的时间，得到事半功倍的效果。3.模型细节当对象模型中一些小的细节对于分析来说并不是很重要时，他们可以不必在模型中体现，这些不必要的细节只会让模型变得更加复杂；但是，对于有些结构，如倒角或孔洞可能是最大应力位置所在，它们的存在可能是非常重要的，这就完全取决于用户的分析目的。因此必须充分的了解结构的行为，从而决定是否需要建立结构中的某些细节部分。在某些情况下，很小的细节就会破坏整个结构的对称性，此时可以忽略这些细节，从而充分利用结构对称性的优点，但是必须权衡简化结构细节，利用对称性所带来的方便和降低分析结果的精确性之间的关系。1.坐标系的确定ANSYS程序提供了多种坐标系，包括：总体和局部坐标系、节点坐标系、单元坐标系、结果坐标系、显示坐标系等。在建模过程中，要充分利用不同的坐标系，方便模型的建立。5.建模方法的确定要根据模型的特点选择建立模型的方法，充分利用两种不同的创建方法各自的优点，并结合布尔运算、旋转、镜像、拷贝等功能方便模型的建立。1.1.3模型的简化在航空结构有限元分析中，结构有限元分析模型的建立是最为重要的一步，因为有限元程序工作的对象并不是真实的航空结构，而只是理想化的有限元模型，如果所建立的有限元模型不能合理的反映航空结构的真实情况，则无论所采用的有限元理论如何完备，所应用的有限元程序如何正确，都不能很好的解决工程实际问题，从这个意义上讲，建立结构有限元模型的原则就是要使所建立的有限元模型能在力学上合理的模拟实际的工程结构，这里的合理指的是：首先它必须满足工程精度要求，即真实性要求，模型应能真实的反映结构的几何形状、材料特性、传力路线、承载方式及边界约束条件；其次，作为一个工程计算模型，还要满足高效的要求，即计算量要尽可能小。由于减震支柱整个结构比较复杂，要对整个结构进行建模并分析计算相当困难，并且计算工作量也相当大，现有条件很难满足计算要求。因此，既要得到减震支柱在不同工况下的应力规律，又要考虑到计算机资源的限制，必须对减震支柱进行适当的简化，甚至将对应力影响很小的部位略去。为了能够合理的对减震支柱的模型进行简化，必须要对整个减震支柱的结构和工作环境进行大致的分析，了解减震支柱受载荷作用的形式，保证做到简化的合理性。模型的简化不仅包括减震支柱本身的简化，还包括减震支柱加载附件以及约束构件的合理简化。有限元计算模型简化的基本准则如下[32][38]。（1）有限元模型应满足平衡条件，即结构的整体和任一单元在节点上都必须保持力平衡；（2）变形协调条件：交汇于一个节点上的各单元在外力作用下，引起单元变形后必须仍保持交汇于一个节点，整个结构上的各个节点也都应同时满足变形协调条件；（3）除上述两个基本条件外，还必须满足边界条件（包括整个结构边界条件及单元间的边界条件）和材料的本构关系；（4）刚度等价原则：有限元模型的抗弯、抗扭及抗剪切刚度应尽可能与实际结构等价；（5）认真的选取单元，使之能较好的反映结构构件的传力特点，尤其对主要受力构件，应做到尽可能不失真，在单元内部所采用的应力位移分布函数必须满足当单元大小递减时，有限元解趋于连续系统的精确解，对于非收敛元，应避免使用；（6）应根据结构特点、应力分布情况、单元性质、精度要求及计算量大小等仔细划分计算网格；（7）仔细的处理载荷模型，正确的生成节点力，同时载荷的简化不应跨越主要受力构件。在建立减震支柱模型时，必须要考虑计算所需时间和硬件条件的限制，同时要兼顾结构受力特性和单元划分的需要，在保证工程计算精度要求的前提下去掉对整体受力影响很小的部分。并且要避免在建模过程中产生尖角和尺寸过小的线和面而导致实体模型无法正常进行网格划分。对于不需要进行分析的部分，包括加载附件和约束构件，可以进行较大简化，但要保证整个结构所受载荷能够正确传递。1.2起落架减震支柱模型减震支柱是由不同构件组成的复杂结构，本实验将完整的减震支柱拆分成减震支柱外筒、扭力臂、扭力臂连接杆、主轮轮轴、活塞杆以及连接部分的构件等，本文采用自底向上、自顶向下与布尔运算相结合的混合建模方法建立减震支柱的实体模型。1.2.1减震支柱外筒筒体的建立减震支柱的主支柱（Mainfitting）包括减震支柱、阻力支柱、横梁与机身接头等，支柱顶端还装有与机翼后梁相接的两个接耳，如图1.1所示。图1.1外筒筒体纵截面图1.2减震支柱外筒筒体图1.2中所示的筒体由截面积绕中心轴旋转可得。1.2.2减震支柱外筒下部撑杆支座的建立该部分是外筒，阻力支架和折叠式折叠支架的连接点，结构比较复杂，不能通过简单的操作来建造，必须建立一个独立的局部坐标系。首先，建立阻力撑杆的支撑模型，阻力撑杆的建模与外圆柱体的建模相似，如图1.3和1.4所示。图1.4中的圆柱体是通过旋转上面获得的横截面面积而获得的。如图1.5所示，需要两个接线片将电阻支柱的上部连接到支柱。通过创建一个圆柱体，使其轴线垂直于支架下部的轴线，将圆柱体添加到下部。您可以通过将其舍入来形成角度。最后，切掉车身凸耳两侧的多余块，最后制作一个阻力撑杆支撑模型，如图1.6所示。图1.3阻力撑杆支座建模a图1.4阻力撑杆支座建模b图1.5阻力撑杆支座建模c图1.6阻力撑杆支座模型此部分主要用到的命令有[36][41]：LOCAL.11.0,131,770,35,,27.9-d定义局部坐标系11VSBV,1,4-两体相减VSYMM,Y,2,4-利用对称创建体1.2.3上扭力臂支座的建立上扭力臂支座为连接减震支柱外筒筒体和上扭力臂的构件，整个支座的模型的建立过程如图1.7至1.9所示。同时采用与建立阻力撑杆支座同样的方法建立与阻力撑杆支座位置对应的另一侧的支座，将所建立的模型相加为一体，形成如图1.10所示模型。图1.7上扭力臂支座建模a图1.8上扭力臂支座建模b图1.9上扭力臂支座建模c图1.10建立了撑杆与扭力臂支座后的外筒1.2.4减震支柱外筒上接头的建立减震支柱外筒的上接头是将减震支柱的外筒与机身连接的部分。首先，我们切出粗略的形状以模拟外圆柱的上接头，最后添加在先前设置的圆柱上形成的接头部分，以获得完整的外圆柱。具体的设置过程和最终形成的外圆柱模型分别如图1.11至1.13和图1.14所示。图1.11外筒上接头建模a图1.12外筒接头建模b图1.13外筒上接头建模c图1.14减震支柱外筒实体模型1.3减震支柱活塞杆模型的建立1.3.1活塞杆筒体的建立活塞杆气缸的制造过程与外部气缸基本相同。也就是说，首先在该点创建一个旋转截面，然后围绕定义的轴旋转该截面以形成圆柱体的基本模型，然后对其进行优化。气缸的细节。活塞杆枪管的建模过程如图1.15和1.16所示。如1.15活塞杆筒体旋转面图1.16活塞杆筒体模型1.3.2活塞杆下部模型的建立活塞杆的下部是活塞杆与车架横梁，上制动拉杆和下扭臂之间的连接部分，主要包含活塞杆与各个部件之间的连接支撑。该部分的结构非常复杂，在各种工作条件下的载荷也非常复杂。首先，类似于圆锥形的圆锥形基本结构，安装活塞杆的下端，然后制成制动杆支撑，框架梁支撑，上扭臂支撑。在这里，由于模型的复杂性，在构建模型时，已经建立了许多用于二次建模的局部坐标系，具体的模型构建过程如下图1.17和图1.18所示。图1.17活塞杆底部建模a图1.18活塞杆底部建模b图1.19活塞杆底部建模c图1.20活塞杆底部建模d在建立活塞杆模型时，每个物体之间的接触行为各不相同因此必须考虑到设置约束条件。首先建立局部模型，然后与原活塞杆下部模型相加，这样部件相互接触部位能够进行规则的网格划分。在建立局部模型后，每个支座孔内都会形成规则的中空圆柱体，如图1.21所示。图1.21活塞杆下端局部模型重建示意图1.3.3扭力臂及其它约束构建的建立在建立整个减震柱的实体模型之后，您需要设置几个约束构件和载荷配件以模拟减震柱的约束和载荷。由于减震支柱是分析的主要目标，并且不需要特别注意其他组件，因此只要设计的零件满足减震支柱的约束，就可以合理简化这些组件和附件，从而减少计算量。设置每个组件时都需要设置其本地坐标系。同时，配件在简化前后的强度和刚度必须与实际情况相符。通过以上过程，我们获得了带有减震柱和加载附件的减震柱系统的单独实体模型，如图1.22和图1.23所示。图1.22减震支柱实体模型图1.23添加附件的减震支柱模型1.3.4建模小结本章的主要任务是设置减震支柱和一些加载附件的外筒模型。由于阻尼填充系统的结构相对复杂，建模过程繁琐，因此您需要在几种方法中选择最合理的模型构建方法，以减轻建模工作的负担。在建模过程中需要注意的问题以及常见问题的解决方案包括[38][40]：1.模型的适当简化有利于减轻计算量，但一定要综合考虑设置约束等对模型形状的要求。2.善于利用局部坐标系，减震支柱系统由许多附件构成，合理建立局部坐标系分别建立不同小的模型，最后整合为一个整体。1.4实体模型网格划分网格化之后，实体模型将转换为由节点和元素组成的有限元模型。分割后的密度和元素质量的高低直接影响精度，因此网格分割尤为重要。1.1.1网格划分的方法ANSYS提供两种划分网格的方法：自由网格划分和映射网格划分[32][37]。其中，自由网格划分方法对实体模型没有特殊要求，并且对于所有实体模型，规则和不规则模型都可以自由划分网格，没有特定标准，并且只能由正方形元素或仅由三角形组成。组成，或两者的混合物。要映射网格，表面或体积必须具有规则的形状，并且必须遵循某些准则。图1.24和图1.25分别显示了无曲面和无体积的网格与映射的网格之间的比较。图1.24面的自由划分与映射划分图1.25体的自由划分与映射划分1.1.2网格划分的大小控制除了单元几何形状在结构有限元分析过程中的影响外，网格密度的大小也对计算和分析结果有很大的影响。像元密度越高，计算结果越准确，但是增加像元分裂密度不可避免地会增加像元数，从而大大增加了计算时间。因此，在结构有限元分析中必须控制适当的晶格密度。ANSYS提供了多种工具和选项来控制单元格划分密度，从而使您可以控制模型的总单元格划分大小以及实体模型中每条线在划分过程中的划分数，局部单元格大小和线数。部门编号[41]。图1.26SmartSize5网格划分图1.27SmartSize7网格划分如图1.26和图1.27所示不同规格的网格划分，是采用智能尺寸控制来完成网格划分，选择合适的网格密度，根据实际模型的形状，在复杂弯曲等位置选择细化，较为合理的生成适合的网格大小，使整个模型的建模更加智能化。1.1.3材料属性和单元类型1.材料属性在建立有限元分析模型时，结合实际材料情况对模型设置相关属性，本文起落架选择材料30CrMnSiNi2A钢，，密度为7.85g/cm3。零平均应力下的疲劳数据摘自于1998ASMEBPVCode,Section8,Div2,Table5-110.1。如表表1.1结构钢的结构参数各向同向弹性衍生于杨氏模量与泊松比杨氏模量2e+12dyne/泊松比0.3体积模量1.6667e+12dyne/剪切模量7.6923e+11dyne/热膨胀的各向同性割线系数热膨胀系数1.2e−051/℃极限压缩强度0dyne/压缩屈服强度2.5e+09dyne/拉伸极限强度4.6e+09dyne/拉伸屈服强度2.5e+09dyne/图4和图4为应变寿命参数和S-N曲线。图应变寿命参数曲线图S-N曲线图周期性交变应力表1.2中为结构钢的热、电气及磁性参数表1.2其他各项参数热热导率0.605W/cm∙℃比热0.434J/g∙℃电气电阻率1.7e−05ohm∙cm磁性相对磁导率100002.单元类型单元类型也存在较多种，本文中减震支柱的网格划分选择号单元，其为六面体单元，可在不损失精度的前提下，对几何的形状接受度较广，兼容性强，在使用过程中，六面体单元可自动退化，转化为金字塔形单元或四面体单元，其退化过程如图1.28所示。图1.28SOLID95单元退化示意图SOLID95单元退化后，其节点保持不变，一个位置上可出现多个节点，可适当减少部分节点，以达到降低计算量，节省计算资源的目的，可利用命令，将同位置多余节点去掉，从而得到干净的、进一步优化后的仿真模型。3.ANSYS操作步骤①建立分析模块，如图1.29所示选择几何学中的体模块并选择第一项层状结构图1.29建立分析模块②定义材料属性，在第一步选中的的层状结构板块进行编辑数值改动，如图1.30所示左侧相对应的IsotropicElasticity（各项同性弹性）、（交变应力平均应力）等选项，输入不同的参数进行调整。图1.30层状结构板块③设置分析模块，将前面设定好的数值导入起落架支柱模型中如图1.31所示。图1.31减震支柱分析模块④指派材料属性，如图1.32所示对非线性效应和热应变效应进行勾选图1.32模块材料属性1.1.4减震支柱外筒筒体的网格划分进行网格划分的减震