CN112699482B - 一种发动机集中传载推力销精确应力分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于结构强度分析技术领域，本发明基于现有结构进行合理自由度的模型简化，运动材料非线性技术和恰当的结构离散化网格划分技术，对推力销应力集中部位的应力水平进行准确表征，并与工程方法进行分析对比，最终形成一套推力销应力集中强度失效的评估方法。
Description
技术领域
本发明属于结构强度分析技术领域，特别涉及大应力梯度集中传载推力销精确应力计算和强度评估。
背景技术
飞机发动机集中载荷往往通过多组传力销进行载荷传递，基于设计空间及结构功能限制，推力销往往设计为可协调变形的构件，以减轻变形带来的附加内力，这使得飞机多次飞行时集中传载推力销因严重应力集中而发生强度失效。
发明内容
本发明基于现有结构进行合理自由度的模型简化，运动材料非线性技术和恰当的结构离散化网格划分技术，对推力销应力集中部位的应力水平进行准确表征，并与工程方法进行分析对比，最终形成一套推力销应力集中强度失效的评估方法。
本发明的技术方案：一种发动机集中传载推力销精确应力分析方法，推力销1与肋4通过螺栓连接，推力销1和肋4之间夹持扩散件2，推力销1与扩散件2通过螺栓连接；扩散件2的四周与蒙皮3固定连接；所述集中传载推力销精确应力分析方法包括：
步骤1：采用刚体静力学工程方法，对推力销及推力销周围的连接螺栓进行工程受力分析，根据推力销周围的连接螺栓受力类型，将推力销周围的连接螺栓分为主要连接螺栓、次要连接螺栓；主要连接螺栓是指推力销顶排和底排的螺栓，其中，顶排的螺栓定义为C区螺栓群、底排的螺栓定义为A区螺栓群，次要连接螺栓是指推力销顶排和底排之间的螺栓，定义为B区螺栓群；
步骤2：根据不同类型螺栓群的受力形式，分别对A区螺栓群、B区螺栓群、C区螺栓群进行连接关系的有限元建模，再利用推力销大载荷情况下的线性硬化-理想塑性来模拟材料塑性流动过程，并进行推力销及周围连接结构的有限元网格剖分，得到非线性有限元精确传载模型；
步骤3：利用非线性有限元精确传载模型，采用非线性迭代求解法进行推力销螺栓连接件的精确传载迭代计算、推力销的精确应力迭代计算，得到螺栓连接件的载荷大小随推力销载荷大小的变化曲线，以及推力销的应力数值。
进一步地，步骤1中，将平衡面外载荷F2形成的力矩M的推力销周围的连接螺栓定义为主要连接螺栓，将承担面内载荷F1的推力销周围的连接螺栓定义为次要连接螺栓。
进一步地，步骤2中，A区、C区主要螺栓群的连接关系的有限元建模，采用梁元以模拟螺栓真实刚度，忽略螺栓与推力销1与肋4、扩散件2的接触状态对受力的影响。
进一步地，步骤2中，B区次要螺栓群的连接关系的有限元建模，忽略螺栓刚度及螺栓与推力销1与肋4、扩散件2的接触状态对受力的影响，利用刚体元进行推力销1与肋4、扩散件2的刚体连接建模。
进一步地，步骤2中，线性硬化-理想塑性是指：推力销屈服以后，材料应力应变关系为线性硬化关系，且在推力销应力达到强度极限以后，应力不随应变发生变化。
进一步地，步骤2中，有限元网格剖分包括有限元单元尺寸的选取、单元类型的选取；单元尺寸采用应力渐进式收敛方法，确定出推力销单元尺寸在4-6mm；单元类型采用高精度二次单元。
进一步地，步骤2中，非线性迭代求解是指：采用劲度切线法将非线性迭代求解转化为若干个分段线性化的求解。
进一步地，连接件的载荷大小随推力销载荷大小的变化曲线呈现非线性变化。
本发明的技术效果：创新性地运用‘线性硬化-理想塑性’材料非线性技术及多点复杂连接分区简化技术，对大载荷、高应力集中的推力销进行精确应力表征。
附图说明
图1为非协调装配发动机连接件结构图(左图为正视图、右图为后视图)；
图2为螺栓分区及推力销受力示意图；
图3为线性硬化-理想塑性曲线；
图4为A、C区主要螺栓群连接关系有限元模型图；
图5为B区次要螺栓群连接关系有限元模型图；；
图6为推力销及周围连接结构的有限元网格图；
图7为不同螺栓连接件的载荷大小随推力销载荷大小的变化曲线；
图8为发动机集中传载推力销应力云图。
具体实施方式
已知图1某大型飞机发动机集中传载推力销连接件，由推力销1、扩散件2、蒙皮3、肋4组成，推力销及周围扩散件为主要受力部件，其应力水平高低决定了推力销的安全可靠性。本实施例，提供一种发动机集中传载推力销精确应力分析方法，具体包括以下内容：
a)对集中传载推力销进行工程受力分析
面内载荷F1作用下，载荷主要由A区、B区、C区连接钉共同承担面内载荷，其连接钉面内载荷大小由结构刚度确定；
面外载荷F2作用下，其剪力主要由靠近作用点O处的A区连接钉承担，而面外弯矩M主要由A区、C区连接钉拉伸载荷、压缩载荷平衡。
A区、C区钉为关键受力连接件，具体分区见图2。
b)集中传载推力销精确有限元传载及应力分析
(1)集中载荷F1、F2作用下，A区连接钉局部推力销1、扩散件2、肋4局部塑形流动产生，连接件载荷重分配，应力超过应力屈服点A后，材料硬化模式为AB段线性硬化，超过强度极限B点材料进入BC段理想塑性，见图3；
(2)对A区、C区关键受力部位的连接钉，分析时简化为梁元以模拟螺栓真实刚度，见图4；次关键区域连接钉，建立Fastener刚体元以模拟刚性约束关系，并对连接关系赋予刚性三个平动自由度连接关系，见图5；
(3)对集中传载区推力销、扩散件、肋采用三维实体单元，单元选取二次修正的四面体单元C3D4M，蒙皮采用弯曲板元(CQUAD4、CTRIA3)；有限元网格图见图6；
(4)采用Newton-ruphson劲度切线法进行非线性迭代求解。
c)集中传载推力销精确螺栓传载及应力分析
非线性分析得到推力销精确螺栓载荷，其载荷大小随载荷量级变化呈现一定的非线性，塑性流动准确表征了螺栓载荷重分配，随着载荷量级增大，关键螺栓载荷呈现一定的非线性，见图7，发动机推力销精确MISES应力云图见图8。
Claims (8)
1.一种发动机集中传载推力销精确应力分析方法，推力销(1)与肋(4)通过螺栓连接，推力销(1)和肋(4)之间夹持扩散件(2)，推力销(1)与扩散件(2)通过螺栓连接；扩散件(2)的四周与蒙皮(3)固定连接；
其特征在于，所述集中传载推力销精确应力分析方法包括：
步骤1：采用刚体静力学工程方法，对推力销及推力销周围的连接螺栓进行工程受力分析，根据推力销周围的连接螺栓受力类型，将推力销周围的连接螺栓分为主要连接螺栓、次要连接螺栓；主要连接螺栓是指推力销顶排和底排的螺栓，其中，顶排的螺栓定义为C区螺栓群、底排的螺栓定义为A区螺栓群，次要连接螺栓是指推力销顶排和底排之间的螺栓，定义为B区螺栓群；
步骤2：根据不同类型螺栓群的受力形式，分别对A区螺栓群、B区螺栓群、C区螺栓群进行连接关系的有限元建模，再利用推力销大载荷情况下的线性硬化-理想塑性来模拟材料塑性流动过程，并进行推力销及周围连接结构的有限元网格剖分，得到非线性有限元精确传载模型；
步骤3：利用非线性有限元精确传载模型，采用非线性迭代求解法进行推力销螺栓连接件的精确传载迭代计算、推力销的精确应力迭代计算，得到螺栓连接件的载荷大小随推力销载荷大小的变化曲线，以及推力销的应力数值。
2.根据权利要求1所述的发动机集中传载推力销精确应力分析方法，其特征在于，步骤1中，将平衡面外载荷F2形成的力矩M的推力销周围的连接螺栓定义为主要连接螺栓，将承担面内载荷F1的推力销周围的连接螺栓定义为次要连接螺栓。
3.根据权利要求1所述的发动机集中传载推力销精确应力分析方法，其特征在于，步骤2中，A区、C区主要螺栓群的连接关系的有限元建模，采用梁元以模拟螺栓真实刚度，忽略螺栓与推力销(1)与肋(4)、扩散件(2)的接触状态对受力的影响。
4.根据权利要求3所述的发动机集中传载推力销精确应力分析方法，其特征在于，步骤2中，B区次要螺栓群的连接关系的有限元建模，忽略螺栓刚度及螺栓与推力销(1)与肋(4)、扩散件(2)的接触状态对受力的影响，利用刚体元进行推力销(1)与肋(4)、扩散件(2)的刚体连接建模。
5.根据权利要求1所述的发动机集中传载推力销精确应力分析方法，其特征在于，步骤2中，线性硬化-理想塑性是指：推力销屈服以后，材料应力应变关系为线性硬化关系，且在推力销应力达到强度极限以后，应力不随应变发生变化。
6.根据权利要求1所述的发动机集中传载推力销精确应力分析方法，其特征在于，步骤2中，有限元网格剖分包括有限元单元尺寸的选取、单元类型的选取；单元尺寸采用应力渐进式收敛方法，确定出推力销单元尺寸在4-6mm；单元类型采用高精度二次单元。
7.根据权利要求1所述的发动机集中传载推力销精确应力分析方法，其特征在于，步骤2中，非线性迭代求解是指：采用劲度切线法将非线性迭代求解转化为若干个分段线性化的求解。
8.根据权利要求1所述的发动机集中传载推力销精确应力分析方法，其特征在于，连接件的载荷大小随推力销载荷大小的变化曲线呈现非线性变化。
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