工程结构实例有限元分析ppt课件

1、工程构造实例有限元分析王晓军王晓军航空科学与工程学院固膂力学研讨所航空科学与工程学院固膂力学研讨所工程构造实例有限元分析工程构造实例有限元分析 某型机前机身构造静力有限元分析某型机前机身构造静力有限元分析 某型机垂尾翼尖构造有限元静力分析某型机垂尾翼尖构造有限元静力分析 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蜂窝构造标志底板有限元分析蜂窝构造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构造静力有限元分析某型机前机身构造静力有限元分析构造简介构造简介某型机前机身构造某型机前机身构造CATIA模型图模型图某型机前机身构造静力有限

2、元分析某型机前机身构造静力有限元分析 某型机前机身，包括气密舱段某型机前机身，包括气密舱段5框框12框和设备舱段框和设备舱段3框框5框。某型机前机身气密舱段是由长桁、纵向大梁、框。某型机前机身气密舱段是由长桁、纵向大梁、蒙皮与框组成的半硬壳式舱壁和前、后端框组成，构成一个能蒙皮与框组成的半硬壳式舱壁和前、后端框组成，构成一个能接受气密载荷作用的封锁体。长桁和大梁普通都是穿过隔框直接受气密载荷作用的封锁体。长桁和大梁普通都是穿过隔框直通的，由型材或机加锻件构成。蒙皮由钣金件构成，按照外形通的，由型材或机加锻件构成。蒙皮由钣金件构成，按照外形分为不同块进展加工成型。框普通是由钣弯件制成，受力严重分

3、为不同块进展加工成型。框普通是由钣弯件制成，受力严重的加强框那么是由锻件或机加件构成。前端框为由纵、横加筋的加强框那么是由锻件或机加件构成。前端框为由纵、横加筋的平板构造组成；为改善受力特性，后端框为加筋的半球面形的平板构造组成；为改善受力特性，后端框为加筋的半球面形构造。前机身气密舱设有地板，地板由地板纵梁和横梁构成框构造。前机身气密舱设有地板，地板由地板纵梁和横梁构成框架，横梁与机身隔框相连，其上安装有面板，共采用了两种类架，横梁与机身隔框相连，其上安装有面板，共采用了两种类型的面板。对于机头部分，下部是前起落架舱，驾驶员地板是型的面板。对于机头部分，下部是前起落架舱，驾驶员地板是气密的，

4、为金属板，构成气密地板构造。其它部分地板为非气气密的，为金属板，构成气密地板构造。其它部分地板为非气密地板，采用玻璃钢板。气密舱前部为设备舱。密地板，采用玻璃钢板。气密舱前部为设备舱。某型机前机身构造静力有限元分析某型机前机身构造静力有限元分析前机身构造传力道路前机身构造传力道路 构造所接受载荷仅思索气密压力载荷作用。从机身构造构造所接受载荷仅思索气密压力载荷作用。从机身构造总体受力来说，长桁和大梁用来接受机身弯矩引起的轴力。蒙总体受力来说，长桁和大梁用来接受机身弯矩引起的轴力。蒙皮除了接受全部剪力和扭矩外，还要不同程度地接受轴力的作皮除了接受全部剪力和扭矩外，还要不同程度地接受轴力的作用。普

5、通框的作用是维持机身外形，支持机身长桁和蒙皮。加用。普通框的作用是维持机身外形，支持机身长桁和蒙皮。加强框除具有普通框的作用外，还要接受飞机其他部件、组件和强框除具有普通框的作用外，还要接受飞机其他部件、组件和设备等传来的集中载荷。设备等传来的集中载荷。某型机前机身构造静力有限元分析某型机前机身构造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 根据照实地反映构造的几何外形、构外型式、资料特性、根据照实地反映构造的几何外形、构外型式、资料特性、传力道路、承载方式和边境条件等要素的根本原那么，将前机传力道路、承载方式和边境条件等要素的根本原那么，将前机身构造离散化为一个有限元分析模型。身

6、构造离散化为一个有限元分析模型。 由于气密舱段外形不规那么，其外形切面由圆弧、双曲线由于气密舱段外形不规那么，其外形切面由圆弧、双曲线甚至平直线组成，加上由于构造布置上的需求，天窗骨架前部甚至平直线组成，加上由于构造布置上的需求，天窗骨架前部左右各有一个驾驶员弹射救生抛盖开口，天窗骨架后部有一个左右各有一个驾驶员弹射救生抛盖开口，天窗骨架后部有一个操作员弹射救生抛盖开口，舱段左侧新开有登机门开口，构成操作员弹射救生抛盖开口，舱段左侧新开有登机门开口，构成一个复杂构造的气密舱段。在气密载荷作用下，蒙皮不仅受剪一个复杂构造的气密舱段。在气密载荷作用下，蒙皮不仅受剪应力，还受弯曲应力；长桁和框不仅受

7、拉伸，还受弯曲。将蒙应力，还受弯曲应力；长桁和框不仅受拉伸，还受弯曲。将蒙皮和隔框腹板等简化为壳单元，长桁、框缘及纵横加筋等简化皮和隔框腹板等简化为壳单元，长桁、框缘及纵横加筋等简化为空间梁元。对驾驶员抛盖及操作员抛盖的定位支座与挂钩的为空间梁元。对驾驶员抛盖及操作员抛盖的定位支座与挂钩的衔接采用多点约束衔接采用多点约束(MPC单元单元)来模拟，二维壳单元向一维梁单来模拟，二维壳单元向一维梁单元的过渡经过元的过渡经过MPC单元模拟。单元模拟。某型机前机身构造静力有限元分析某型机前机身构造静力有限元分析某型机前机身构造总体有限元分析模型某型机前机身构造总体有限元分析模型某型机前机身构造静力有限元

8、分析某型机前机身构造静力有限元分析载荷及边境条件载荷及边境条件 前机身构造分析的载荷为气密载荷，气密压强大小为前机身构造分析的载荷为气密载荷，气密压强大小为0.04MPa。气压可经过在蒙皮、气密地板、气密端框简化得到。气压可经过在蒙皮、气密地板、气密端框简化得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。某型机前机身构造静力有限元分析某型机前机身构造静力有限元分析某型机前机身构造静力有限元分析某型机前机身构造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 对于前机身的前风挡玻璃，观测窗以及对于前机身的前风挡玻璃，观测窗以及12框堵盖部位，在框堵盖部位，在受力时并不传送弯矩，

9、因此不能将这些部位与整体模型固连，受力时并不传送弯矩，因此不能将这些部位与整体模型固连，应该简支衔接。因此，有限元模型中不能在此处消去反复节点。应该简支衔接。因此，有限元模型中不能在此处消去反复节点。可以将前风挡玻璃、观测窗以及可以将前风挡玻璃、观测窗以及12框堵盖边沿节点简支，并在框堵盖边沿节点简支，并在面单元上施加面单元上施加0.04MPa的气密载荷，计算出这些部位周边节点的气密载荷，计算出这些部位周边节点的约反力再将其反加到总体模型的前风挡玻璃框、观测窗框及的约反力再将其反加到总体模型的前风挡玻璃框、观测窗框及12框堵盖口边节点上。因此，总体应力分析时便可只分析除去框堵盖口边节点上。因此

10、，总体应力分析时便可只分析除去前风挡玻璃、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。某型机前机身构造静力有限元分析某型机前机身构造静力有限元分析某型机前机身构造静力有限元分析某型机前机身构造静力有限元分析 经过经过MSC.Nastran对总体模型进展应力分析，得出总体模对总体模型进展应力分析，得出总体模型中最大壳单元应力为型中最大壳单元应力为239MPa，最大梁单元应力为，最大梁单元应力为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。某型机前机身构造静力有限元分析某型机前机身构造静力有限元分析某型机

11、垂尾翼尖构造有限元静力分析某型机垂尾翼尖构造有限元静力分析构造简介构造简介 某型机垂尾翼尖设计构造如以下图所示。某型机垂尾翼尖设计构造如以下图所示。某型机垂尾翼尖构造有限元静力分析某型机垂尾翼尖构造有限元静力分析 垂尾翼尖的一切构造件均采用玻璃钢构造，由预浸料铺设垂尾翼尖的一切构造件均采用玻璃钢构造，由预浸料铺设而成，单层厚度为而成，单层厚度为0.25mm，单层资料的力学性能数据如下表，单层资料的力学性能数据如下表所示。所示。某型机垂尾翼尖构造有限元静力分析某型机垂尾翼尖构造有限元静力分析构造受力特点构造受力特点 垂尾翼尖为由蒙皮、前后梁、多隔板和天线罩构成的无桁垂尾翼尖为由蒙皮、前后梁、多隔

12、板和天线罩构成的无桁条、少翼肋构造。蒙皮和隔板凸缘接受弯矩引起的轴向力。多条、少翼肋构造。蒙皮和隔板凸缘接受弯矩引起的轴向力。多隔板腹板承剪、多闭室承扭，受力高度分散，部分刚度和总体隔板腹板承剪、多闭室承扭，受力高度分散，部分刚度和总体刚度均较大。刚度均较大。某型机垂尾翼尖构造有限元静力分析某型机垂尾翼尖构造有限元静力分析垂尾翼尖构造的有限元模型的建立垂尾翼尖构造的有限元模型的建立 根据照实地反映构造的几何外形、构外型式、资料特性、根据照实地反映构造的几何外形、构外型式、资料特性、传力道路、承载方式和边境条件等要素的根本原那么，将垂尾传力道路、承载方式和边境条件等要素的根本原那么，将垂尾翼尖构

13、造离散化为一个有限元分析模型。翼尖构造离散化为一个有限元分析模型。 由于垂尾翼尖构造为由蒙皮、前后梁、多隔板和天线罩组由于垂尾翼尖构造为由蒙皮、前后梁、多隔板和天线罩组成的全复合资料构造，因此将它们均用层合壳单元来离散。垂成的全复合资料构造，因此将它们均用层合壳单元来离散。垂尾翼尖有限元模型共包括层合壳单元尾翼尖有限元模型共包括层合壳单元1684个，节点个，节点1459个。垂个。垂尾翼尖构造蒙皮有限元模型如以下图所示。尾翼尖构造蒙皮有限元模型如以下图所示。某型机垂尾翼尖构造有限元静力分析某型机垂尾翼尖构造有限元静力分析某型机垂尾翼尖构造有限元模型某型机垂尾翼尖构造有限元模型某型机垂尾翼尖构造有

14、限元静力分析某型机垂尾翼尖构造有限元静力分析载荷工况载荷工况 思索某型机在某飞行形状下，垂尾翼尖构造遭到气动载荷思索某型机在某飞行形状下，垂尾翼尖构造遭到气动载荷作用，如以下图所示。作用，如以下图所示。飞行形状下的气动力分布飞行形状下的气动力分布某型机垂尾翼尖构造有限元静力分析某型机垂尾翼尖构造有限元静力分析边境条件边境条件 在边境条件的处置上，为了能更真实的模拟垂尾翼尖的支在边境条件的处置上，为了能更真实的模拟垂尾翼尖的支撑刚度，将垂尾翼尖的有限元模型向下延伸建立整个垂尾有限撑刚度，将垂尾翼尖的有限元模型向下延伸建立整个垂尾有限元模型，在垂尾下部加以简支边境条件。元模型，在垂尾下部加以简支边

15、境条件。某型机垂尾翼尖构造有限元静力分析某型机垂尾翼尖构造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构造第垂尾翼尖构造第1铺层最铺层最大失效目的分布大失效目的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构造简述构造简述 某型直升机涵道尾桨叶片构造实体和翼型如以下图所示。某型直升机涵道尾桨叶片构造实体和翼型如以下图所示。桨叶翼型图桨叶翼型图yx某型直升机涵道尾桨叶片构造某型直升机涵道尾桨叶片构造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

16、叶模压图桨叶模压部分放大图桨叶模压部分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 根据照实地反映构造的几何外形、构外型式、资料特性、根据照实地反映构造的几何外形、构外型式、资料特性、传力道路、承载方式和边境条件等要素的根本原那么，将涵道传力道路、承载方式和边境条件等要素的根本原那么，将涵道尾桨叶片构造离散化为一个有限元分析模型。尾桨叶片构造离散化为一个有限元分析模型。 对于此桨叶分析共采用三种单元类型，蒙皮采用层合构对于此桨叶分析共采用三种单元类型，蒙皮采用层合构造壳单元造壳单元Shell99，叶梁、泡沫块、碳条及叶根布采用，叶梁、泡

17、沫块、碳条及叶根布采用10节点三节点三维构造体单元维构造体单元Solid92及及20节点三维构造体单元节点三维构造体单元Solid95。其单。其单元几何外形如以下图所示。元几何外形如以下图所示。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 对桨叶进展有限元建模时，将蒙皮划分三种不同类型的壳对桨叶进展有限元建模时，将蒙皮划分三种不同类型的壳单元，有钛包边的地方采用单元，有钛包边的地方采用4层层合壳单元，有加强条的地方层层合壳单元，有加强条的地方采用采用6层层合壳单元，其

18、它普通的地方采用层层合壳单元，其它普通的地方采用3层层合壳单元。用层层合壳单元。用ANSYS建立整体叶片有限元模型如以下图所示。建立整体叶片有限元模型如以下图所示。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015304560759001503004506007509008765432HzP(Hz)11231-挥舞一阶2-挥舞二阶3-挥舞三阶01530456075900200400600800100012001-扭转

19、一阶2-扭转二阶P(Hz)Hz8765432112挥舞共振图挥舞共振图改动共振图改动共振图FRPFRP蜂窝构造标志底板有限元分析蜂窝构造标志底板有限元分析构造简介构造简介 某某FRP蜂窝构造标志表示图和标志底板构造三维图如以下蜂窝构造标志表示图和标志底板构造三维图如以下图所示。图所示。FRPFRP蜂窝构造标志底板有限元分析蜂窝构造标志底板有限元分析 FRP蜂窝构造标志底板为蜂窝夹层构造，底板尺寸为蜂窝构造标志底板为蜂窝夹层构造，底板尺寸为 ，上，上下面板为玻璃钢资料，厚度均为下面板为玻璃钢资料，厚度均为1mm；芯层为铝蜂窝，厚度为；芯层为铝蜂窝，厚度为23mm；底板内预埋有两金属型资料，截面为

20、空心矩形，宽度；底板内预埋有两金属型资料，截面为空心矩形，宽度为为70mm，壁厚为，壁厚为3mm，长度为，长度为1m；用以固定外面的铝滑槽，；用以固定外面的铝滑槽，长度为长度为600mm，其三维构造如以下图所示，铆钉直径为，其三维构造如以下图所示，铆钉直径为5mm。FRPFRP蜂窝构造标志底板有限元分析蜂窝构造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蜂窝构造标志底板有限元分析蜂窝构造标志底板有限元分析FRPFRP蜂窝构造标志底板有限元分析蜂窝构造标志底板有限元分析 根据照实地反映构造的几何外形、构外型式、资料特性、根据照实地反映构造的几何外形、构外型式、资料特性、

21、承载情况和边境条件等要素的原那么，将承载情况和边境条件等要素的原那么，将FRP蜂窝构造标志底蜂窝构造标志底板构造离散化为一个有限元分析模型。思索到构造、接受载荷、板构造离散化为一个有限元分析模型。思索到构造、接受载荷、边境条件的对称性，只建立如图边境条件的对称性，只建立如图13.14所示的所示的1/4模型进展计算模型进展计算分析。滑槽附近模型放大图如图分析。滑槽附近模型放大图如图13.15。其中在预埋件附近的。其中在预埋件附近的模 型 包 括 预 埋 件 、 铝 滑 槽 、 铆 钉 均 采 用 三 维 体 单 元模 型 包 括 预 埋 件 、 铝 滑 槽 、 铆 钉 均 采 用 三 维 体 单

22、 元PSOLID，预埋件以外部分模型均采用二维复合资料壳单，预埋件以外部分模型均采用二维复合资料壳单元元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MPCRBE3单元来衔接。单元来衔接。FRPFRP蜂窝构造标志底板有限元分析蜂窝构造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蜂窝构造标志底板有限元分析蜂窝构造标志底板有限元分析载荷及边境条件载荷及边境条件 构造受风压载荷作用，根本风压大小为构造受风压载荷作用，根本风压大小为 ，动载系数取为，动载系数取为1.4，那么实践加载风压为，那么实践加载风压为 ，其最不利情况为风压加在面板反，其最不利情况为风压加在面板反面，且风向与面板垂直。面，且风向与面板垂直。FRPFRP蜂窝构造标志底板有限元分析蜂窝构造标志底板有限元分析 在边境条件的处置上，在对称边上采用对称边境条件。思在边境条件的处置上，在对称边上采用对称边境条件。思索到立柱与螺栓足够结实并视其不变形，在铝滑槽的挡块处加索到立柱与螺栓足够结实并视其不变形，在铝滑槽的挡块处加固定约束。固定约束。FRPFRP蜂窝构造标志底板有限元分析蜂窝构造标志底板有限元分析有限元计算结果有限元计算结果 根据根据FRP蜂窝构