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工程结构实例有限元分析王晓军王晓军航空科学与工程学院固体力学研究所航空科学与工程学院固体力学研究所<<<<航空工程先进数值计算技术航空工程先进数值计算技术>>>>工程结构实例有限元分析工程结构实例有限元分析某型机前机身结构静力有限元分析某型机前机身结构静力有限元分析某型机垂尾翼尖结构有限元静力分析某型机垂尾翼尖结构有限元静力分析某型直升机涵道尾桨有限元动力分析某型直升机涵道尾桨有限元动力分析FRP蜂窝结构标志底板有限元分析蜂窝结构标志底板有限元分析风机塔架的屈曲稳定性分析风机塔架的屈曲稳定性分析某型机前机身结构静力有限元分析某型机前机身结构静力有限元分析结构简介结构简介某型机前机身结构某型机前机身结构CATIA模型图模型图某型机前机身结构静力有限元分析某型机前机身结构静力有限元分析 某某型型机机前前机机身身，，包包括括气气密密舱舱段段〔〔5框框~12框框〕〕和和设设备备舱舱段段〔〔3框框~5框框））某某型型机机前前机机身身气气密密舱舱段段是是由由长长桁桁、、纵纵向向大大梁梁、、蒙蒙皮皮与与框框组组成成的的半半硬硬壳壳式式舱舱壁壁和和前前、、后后端端框框组组成成，，形形成成一一个个能能承承受受气气密密载载荷荷作作用用的的封封闭闭体体。

长长桁桁和和大大梁梁一一般般都都是是穿穿过过隔隔框框直直通通的的，，由由型型材材或或机机加加锻锻件件构构成成蒙蒙皮皮由由钣钣金金件件构构成成，，按按照照外外形形分分为为不不同同块块进进行行加加工工成成型型框框一一般般是是由由钣钣弯弯件件制制成成，，受受力力严严重重的的加加强强框框则则是是由由锻锻件件或或机机加加件件构构成成前前端端框框为为由由纵纵、、横横加加筋筋的的平平板板结结构构组组成成；；为为改改善善受受力力特特性性，，后后端端框框为为加加筋筋的的半半球球面面形形结结构构前前机机身身气气密密舱舱设设有有地地板板，，地地板板由由地地板板纵纵梁梁和和横横梁梁构构成成框框架架，，横横梁梁与与机机身身隔隔框框相相连连，，其其上上安安装装有有面面板板，，共共采采用用了了两两种种类类型型的的面面板板对对于于机机头头部部分分，，下下部部是是前前起起落落架架舱舱，，驾驾驶驶员员地地板板是是气气密密的的，，为为金金属属板板，，形形成成气气密密地地板板结结构构其其它它部部分分地地板板为为非非气气密密地地板板，，采用玻璃钢板气密舱前部为设备舱采用玻璃钢板气密舱前部为设备舱某型机前机身结构静力有限元分析某型机前机身结构静力有限元分析前机身结构传力路线前机身结构传力路线 结结构构所所承承受受载载荷荷仅仅考考虑虑气气密密压压力力载载荷荷作作用用。

从从机机身身结结构构总总体体受受力力来来说说，，长长桁桁和和大大梁梁用用来来承承受受机机身身弯弯矩矩引引起起的的轴轴力力蒙蒙皮皮除除了了承承受受全全部部剪剪力力和和扭扭矩矩外外，，还还要要不不同同程程度度地地承承受受轴轴力力的的作作用用普普通通框框的的作作用用是是维维持持机机身身外外形形，，支支持持机机身身长长桁桁和和蒙蒙皮皮加加强强框框除除具具有有普普通通框框的的作作用用外外，，还还要要承承受受飞飞机机其其他他部部件件、、组组件件和和设设备备等传来的集中载荷等传来的集中载荷某型机前机身结构静力有限元分析某型机前机身结构静力有限元分析有限元分析模型的建立有限元分析模型的建立 根根据据如如实实地地反反映映结结构构的的几几何何形形状状、、构构造造型型式式、、材材料料特特性性、、传传力力路路线线、、承承载载方方式式和和边边界界条条件件等等因因素素的的基基本本原原则则，，将将前前机机身身结构离散化为一个有限元分析模型结构离散化为一个有限元分析模型 由由于于气气密密舱舱段段形形状状不不规规则则，，其其外外形形切切面面由由圆圆弧弧、、双双曲曲线线甚甚至至平平直直线线组组成成，，加加上上由由于于结结构构布布置置上上的的需需要要，，天天窗窗骨骨架架前前部部左左右右各各有有一一个个驾驾驶驶员员弹弹射射救救生生抛抛盖盖开开口口，，天天窗窗骨骨架架后后部部有有一一个个操操作作员员弹弹射射救救生生抛抛盖盖开开口口，，舱舱段段左左侧侧新新开开有有登登机机门门开开口口，，形形成成一一个个复复杂杂结结构构的的气气密密舱舱段段。

在在气气密密载载荷荷作作用用下下，，蒙蒙皮皮不不仅仅受受剪剪应应力力，，还还受受弯弯曲曲应应力力；；长长桁桁和和框框不不仅仅受受拉拉伸伸，，还还受受弯弯曲曲将将蒙蒙皮皮和和隔隔框框腹腹板板等等简简化化为为壳壳单单元元，，长长桁桁、、框框缘缘及及纵纵横横加加筋筋等等简简化化为为空空间间梁梁元元对对驾驾驶驶员员抛抛盖盖及及操操作作员员抛抛盖盖的的定定位位支支座座与与挂挂钩钩的的连连接接采采用用多多点点约约束束(MPC单单元元)来来模模拟拟，，二二维维壳壳单单元元向向一一维维梁梁单单元元的过渡通过的过渡通过MPC单元模拟单元模拟某型机前机身结构静力有限元分析某型机前机身结构静力有限元分析某型机前机身结构总体有限元分析模型某型机前机身结构总体有限元分析模型某型机前机身结构静力有限元分析某型机前机身结构静力有限元分析载荷及边界条件载荷及边界条件 前前机机身身结结构构分分析析的的载载荷荷为为气气密密载载荷荷，，气气密密压压强强大大小小为为0.04MPa气气压压可可通通过过在在蒙蒙皮皮、、气气密密地地板板、、气气密密端端框框简简化化得得到到的壳单元上施加分布载荷来实现的壳单元上施加分布载荷来实现。

某型机前机身结构静力有限元分析某型机前机身结构静力有限元分析某型机前机身结构静力有限元分析某型机前机身结构静力有限元分析总体应力计算及分析总体应力计算及分析 对对于于前前机机身身的的前前风风挡挡玻玻璃璃，，观观测测窗窗以以及及12框框堵堵盖盖部部位位，，在在受受力力时时并并不不传传递递弯弯矩矩，，因因此此不不能能将将这这些些部部位位与与整整体体模模型型固固连连，，应应该该简简支支连连接接因因此此，，有有限限元元模模型型中中不不能能在在此此处处消消去去重重复复节节点点可可以以将将前前风风挡挡玻玻璃璃、、观观测测窗窗以以及及12框框堵堵盖盖边边沿沿节节点点简简支支，，并并在在面面单单元元上上施施加加0.04MPa的的气气密密载载荷荷，，计计算算出出这这些些部部位位周周边边节节点点的的约约反反力力再再将将其其反反加加到到总总体体模模型型的的前前风风挡挡玻玻璃璃框框、、观观测测窗窗框框及及12框框堵堵盖盖口口边边节节点点上上因因此此，，总总体体应应力力分分析析时时便便可可只只分分析析除除去去前风挡玻璃、观测窗及前风挡玻璃、观测窗及12框堵盖的整体模型便可框堵盖的整体模型便可某型机前机身结构静力有限元分析某型机前机身结构静力有限元分析某型机前机身结构静力有限元分析某型机前机身结构静力有限元分析 通通过过MSC.Nastran对对总总体体模模型型进进行行应应力力分分析析，，得得出出总总体体模模型型中中最最大大壳壳单单元元应应力力为为239MPa，，最最大大梁梁单单元元应应力力为为387MPa，，壳单元最大位移为壳单元最大位移为19.9mm，梁单元最大位移为，梁单元最大位移为8.13mm。

某型机前机身结构静力有限元分析某型机前机身结构静力有限元分析某型机垂尾翼尖结构有限元静力分析某型机垂尾翼尖结构有限元静力分析结构简介结构简介 某型机垂尾翼尖设计结构如下图所示某型机垂尾翼尖设计结构如下图所示某型机垂尾翼尖结构有限元静力分析某型机垂尾翼尖结构有限元静力分析 垂垂尾尾翼翼尖尖的的所所有有结结构构件件均均采采用用玻玻璃璃钢钢结结构构，，由由预预浸浸料料铺铺设设而而成成，，单单层层厚厚度度为为0.25mm，，单单层层材材料料的的力力学学性性能能数数据据如如下下表表所示某型机垂尾翼尖结构有限元静力分析某型机垂尾翼尖结构有限元静力分析结构受力特点结构受力特点 垂垂尾尾翼翼尖尖为为由由蒙蒙皮皮、、前前后后梁梁、、多多隔隔板板和和天天线线罩罩构构成成的的无无桁桁条条、、少少翼翼肋肋结结构构蒙蒙皮皮和和隔隔板板凸凸缘缘承承受受弯弯矩矩引引起起的的轴轴向向力力多多隔隔板板腹腹板板承承剪剪、、多多闭闭室室承承扭扭，，受受力力高高度度分分散散，，局局部部刚刚度度和和总总体体刚度均较大刚度均较大某型机垂尾翼尖结构有限元静力分析某型机垂尾翼尖结构有限元静力分析垂尾翼尖结构的有限元模型的建立垂尾翼尖结构的有限元模型的建立 根根据据如如实实地地反反映映结结构构的的几几何何形形状状、、构构造造型型式式、、材材料料特特性性、、传传力力路路线线、、承承载载方方式式和和边边界界条条件件等等因因素素的的基基本本原原则则，，将将垂垂尾尾翼翼尖结构离散化为一个有限元分析模型。

尖结构离散化为一个有限元分析模型 由由于于垂垂尾尾翼翼尖尖结结构构为为由由蒙蒙皮皮、、前前后后梁梁、、多多隔隔板板和和天天线线罩罩组组成成的的全全复复合合材材料料结结构构，，因因而而将将它它们们均均用用层层合合壳壳单单元元来来离离散散垂垂尾尾翼翼尖尖有有限限元元模模型型共共包包括括层层合合壳壳单单元元1684个个，，节节点点1459个个垂垂尾翼尖结构蒙皮有限元模型如下图所示尾翼尖结构蒙皮有限元模型如下图所示某型机垂尾翼尖结构有限元静力分析某型机垂尾翼尖结构有限元静力分析某型机垂尾翼尖结构有限元模型某型机垂尾翼尖结构有限元模型某型机垂尾翼尖结构有限元静力分析某型机垂尾翼尖结构有限元静力分析载荷工况载荷工况 考考虑虑某某型型机机在在某某飞飞行行状状态态下下，，垂垂尾尾翼翼尖尖结结构构受受到到气气动动载载荷荷作用，如下图所示作用，如下图所示飞行状态下的气动力分布飞行状态下的气动力分布某型机垂尾翼尖结构有限元静力分析某型机垂尾翼尖结构有限元静力分析边界条件边界条件 在在边边界界条条件件的的处处理理上上，，为为了了能能更更真真实实的的模模拟拟垂垂尾尾翼翼尖尖的的支支撑撑刚刚度度，，将将垂垂尾尾翼翼尖尖的的有有限限元元模模型型向向下下延延伸伸建建立立整整个个垂垂尾尾有有限限元模型，在垂尾下部加以简支边界条件。

元模型，在垂尾下部加以简支边界条件某型机垂尾翼尖结构有限元静力分析某型机垂尾翼尖结构有限元静力分析有限元静力分析结果有限元静力分析结果垂尾位移云图垂尾位移云图垂尾翼尖结构第垂尾翼尖结构第1铺层最铺层最大失效指标分布大失效指标分布某型直升机涵道尾桨有限元动力分析某型直升机涵道尾桨有限元动力分析结构简述结构简述 某型直升机涵道尾桨叶片结构实体和翼型如下图所示某型直升机涵道尾桨叶片结构实体和翼型如下图所示桨叶翼型图桨叶翼型图某型直升机涵道尾桨叶片结构某型直升机涵道尾桨叶片结构某型直升机涵道尾桨有限元动力分析某型直升机涵道尾桨有限元动力分析某型直升机涵道尾桨有限元动力分析某型直升机涵道尾桨有限元动力分析桨叶模压图桨叶模压图桨叶模压局部放大图桨叶模压局部放大图某型直升机涵道尾桨有限元动力分析某型直升机涵道尾桨有限元动力分析有限元模型的建立有限元模型的建立 根根据据如如实实地地反反映映结结构构的的几几何何形形状状、、构构造造型型式式、、材材料料特特性性、、传传力力路路线线、、承承载载方方式式和和边边界界条条件件等等因因素素的的基基本本原原则则，，将将涵涵道道尾尾桨叶片结构离散化为一个有限元分析模型。

桨叶片结构离散化为一个有限元分析模型 对对于于此此桨桨叶叶分分析析共共采采用用三三种种单单元元类类型型，，蒙蒙皮皮采采用用层层合合结结构构壳壳单单元元Shell99，，叶叶梁梁、、泡泡沫沫块块、、碳碳条条及及叶叶根根布布采采用用10节节点点三三维维结结构构体体单单元元Solid92及及20节节点点三三维维结结构构体体单单元元Solid95其其单单元元几何形状如下图所示几何形状如下图所示某型直升机涵道尾桨有限元动力分析某型直升机涵道尾桨有限元动力分析Solid92Shell99Solid 95某型直升机涵道尾桨有限元动力分析某型直升机涵道尾桨有限元动力分析 对对桨桨叶叶进进行行有有限限元元建建模模时时，，将将蒙蒙皮皮划划分分三三种种不不同同类类型型的的壳壳单单元元，，有有钛钛包包边边的的地地方方采采用用4层层层层合合壳壳单单元元，，有有加加强强条条的的地地方方采采用用6层层层层合合壳壳单单元元，，其其它它普普通通的的地地方方采采用用3层层层层合合壳壳单单元元用用ANSYS建立整体叶片有限元模型如下图所示建立整体叶片有限元模型如下图所示某型直升机涵道尾桨有限元动力分析某型直升机涵道尾桨有限元动力分析某型直升机涵道尾桨有限元动力分析某型直升机涵道尾桨有限元动力分析某型直升机涵道尾桨有限元动力分析某型直升机涵道尾桨有限元动力分析桨叶振动的共振图桨叶振动的共振图挥舞共振图挥舞共振图扭转共振图扭转共振图FRPFRP蜂窝结构标志底板有限元分析蜂窝结构标志底板有限元分析结构简介结构简介 某某FRP蜂蜂窝窝结结构构标标志志示示意意图图和和标标志志底底板板结结构构三三维维图图如如下下图图所示。

所示FRPFRP蜂窝结构标志底板有限元分析蜂窝结构标志底板有限元分析 FRP蜂蜂窝窝结结构构标标志志底底板板为为蜂蜂窝窝夹夹层层结结构构，，底底板板尺尺寸寸为为 ，，上上下下面面板板为为玻玻璃璃钢钢材材料料，，厚厚度度均均为为1mm；；芯芯层层为为铝铝蜂蜂窝窝，，厚厚度度为为23mm；；底底板板内内预预埋埋有有两两金金属属型型材材料料，，截截面面为为空空心心矩矩形形，，宽宽度度为为70mm，，壁壁厚厚为为3mm，，长长度度为为1m；；用用以以固固定定外外面面的的铝铝滑滑槽槽，，长度为长度为600mm，其三维结构如下图所示，铆钉直径为，其三维结构如下图所示，铆钉直径为5mmFRPFRP蜂窝结构标志底板有限元分析蜂窝结构标志底板有限元分析有限元分析模型的建立有限元分析模型的建立FRPFRP蜂窝结构标志底板有限元分析蜂窝结构标志底板有限元分析FRPFRP蜂窝结构标志底板有限元分析蜂窝结构标志底板有限元分析 根根据据如如实实地地反反映映结结构构的的几几何何形形状状、、构构造造型型式式、、材材料料特特性性、、承承载载情情况况和和边边界界条条件件等等因因素素的的原原则则，，将将FRP蜂蜂窝窝结结构构标标志志底底板板结结构构离离散散化化为为一一个个有有限限元元分分析析模模型型。

考考虑虑到到结结构构、、承承受受载载荷荷、、边边界界条条件件的的对对称称性性，，只只建建立立如如图图13.14所所示示的的1/4模模型型进进行行计计算算分分析析滑滑槽槽附附近近模模型型放放大大图图如如图图13.15其其中中在在预预埋埋件件附附近近的的模模型型包包括括预预埋埋件件、、铝铝滑滑槽槽、、铆铆钉钉均均采采用用三三维维体体单单元元〔〔PSOLID）），，预预埋埋件件以以外外部部分分模模型型均均采采用用二二维维复复合合材材料料壳壳单单元元〔〔PCOMP）），，三维单元向二维单元的过渡区采用三维单元向二维单元的过渡区采用MPC〔〔RBE3〕单元来连接〕单元来连接FRPFRP蜂窝结构标志底板有限元分析蜂窝结构标志底板有限元分析1/4有限元分析模型图有限元分析模型图滑槽附近模型放大图滑槽附近模型放大图FRPFRP蜂窝结构标志底板有限元分析蜂窝结构标志底板有限元分析载荷及边界条件载荷及边界条件 结结构构受受风风压压载载荷荷作作用用，，基基本本风风压压大大小小为为 ，，动动载载系系数数取取为为1.4，，则则实实际际加加载载风风压压为为 ，，其其最最不不利利情情况况为为风风压压加加在在面面板板背背面面，，且且风向与面板垂直。

风向与面板垂直FRPFRP蜂窝结构标志底板有限元分析蜂窝结构标志底板有限元分析 在在边边界界条条件件的的处处理理上上，，在在对对称称边边上上采采用用对对称称边边界界条条件件考考虑虑到到立立柱柱与与螺螺栓栓足足够够牢牢固固并并视视其其不不变变形形，，在在铝铝滑滑槽槽的的挡挡块块处处加加固定约束固定约束FRPFRP蜂窝结构标志底板有限元分析蜂窝结构标志底板有限元分析有限元计算结果有限元计算结果 根根据据FRP蜂蜂窝窝结结构构标标志志底底板板结结构构的的传传力力情情况况，，蜂蜂窝窝夹夹层层板板、、铝铝滑滑槽槽、、铆铆钉钉及及挡挡块块之之间间均均为为接接触触传传力力而而并并非非为为完完全全固固连连，，因因而而此此问问题题属属于于接接触触问问题题，，需需进进行行接接触触分分析析计计算算从从力力学学分分析析角角度度看看，，接接触触是是边边界界条条件件高高度度非非线线性性的的复复杂杂问问题题，，需需要要准准确确追追踪踪接接触触前前多多个个物物体体的的运运动动，，以以及及追追踪踪接接触触发发生生后后这这些些物物体体之之间间的的相相互互作作用用接接触触问问题题模模拟拟计计算算的的一一般般目目的的是是为为了了确确定定接接触触面面积积及及计计算算所所产产生生的的接接触触压压力力。

采采用用软软件件中中的的接接触触分分析析求求解解器器进进行行应力计算应力计算FRPFRP蜂窝结构标志底板有限元分析蜂窝结构标志底板有限元分析FRP蜂窝结构标志底板结构的应力云图蜂窝结构标志底板结构的应力云图预埋件应力分布云图预埋件应力分布云图FRPFRP蜂窝结构标志底板有限元分析蜂窝结构标志底板有限元分析铝滑槽应力分布云图铝滑槽应力分布云图FRP蜂窝结构标志底板结构的位移云图蜂窝结构标志底板结构的位移云图风机塔架的屈曲稳定性分析风机塔架的屈曲稳定性分析塔架失稳概述塔架失稳概述风机塔架的屈曲稳定性分析风机塔架的屈曲稳定性分析特征值屈曲的一般步骤特征值屈曲的一般步骤风机塔架的屈曲稳定性分析风机塔架的屈曲稳定性分析塔架屈曲分析应用实例塔架屈曲分析应用实例风机塔架的屈曲稳定性分析风机塔架的屈曲稳定性分析风机塔架的屈曲稳定性分析风机塔架的屈曲稳定性分析风机塔架的屈曲稳定性分析风机塔架的屈曲稳定性分析风机塔架的屈曲稳定性分析风机塔架的屈曲稳定性分析。