铰链支架静不定结构的有限元分析

摘 要：铰链支架结构通常以集中力的形式传递结构所受的载荷，对铰链支架结构进行拓扑优化、尺寸优化和形状优化，可使结构在满足强度、刚度要求的条件下重量达到较轻的水平。优化后的铰链支架结构多为较复杂的静不定结构，在结构分析中，由于多余的约束反力及相应的变形协调条件较多，工程计算方法较为复杂，对计算方法进行简化后难以保证方法的准确性和可靠性。该文采用有限单元法对结构进行分析计算，并求出结构的应力分布及薄弱剖面的内力，对铰链支架静不定结构的强度校核工作具有典型意义。

关键词：静不定结构 有限单元法 铰链支架

中图分类号：V229 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）08（b）-0081-02

铰链支架结构形式复杂，工程计算方法需要进行大量工程简化，在无法进行大量试验验证的情况下，采用有限单元法对结构进行分析，可大大节省分析工作量，加快研发进度，降低研发成本。有限元模型必须真实反映实际结构的几何构型，材料属性，载荷传递路径及边界约束条件，才能保证有限元计算和分析结果的正确性。利用PATRAN建立有限元模型，进行网格划分，定义边界条件和载荷；利用NASTRAN进行加载计算，求出结构的应力分布及薄弱剖面的内力并进行强度校核。

1 结构简介

铰链支架结构主要用于结构的安装和拆卸，通常用来承受较高的集中载荷，因而普遍采用双剪接头。优化后的铰链支架结构示意图如图1所示。

支架与接头耳片通过一个螺栓组连接，集中载荷由接头耳片通过螺栓组传递到支架上。支架和接头耳片通常采用金属材料。

坐标系原点位于接头耳片孔中心点，Z轴沿接头耳片转轴方向，X轴垂直于梁平面，Y轴垂直于XOZ平面。铰链支架结构所承受的集中载荷通常为XY平面内的载荷，承受侧向载荷时，载荷方向沿Z轴方向。

2 有限元模型

根据铰链支架结构的结构形式和传力特点，对结构各部位进行有限元模型单元选取。铰链支架结构和接头耳片结构采用三维实体单元模拟，螺栓采用梁单元模拟。在支架端部施加约束，加载点取在接头耳片中心处并施加单位载荷，剖面部位定义局部坐标系用来选取结构剖面的内力。

根据以上单元和边界约束条件的选取，建立铰链支架结构有限元模型。

3 结果分析

式中：P――接头耳片所受的集中载荷；

α――载荷与X方向的夹角；

A――所选取局部剖面面积；

kx，ky――结构剖面在单位载荷作用下的内力，可由有限元模型求出。

根据板元法求出基本剖面的许用压损应力为[1]：

单个元素的压损应力为：

式中：c――元素支持系数，一端自由c=0.565，无自由边c=1.427；

σcy――缘条的压缩屈服应力；

Ec――缘条的压缩弹性模量；

bi――第i个元素的长度；

ti――第i个元素的厚度；

许用压损应力为：

式中：σcci――长度为bi，厚度为ti的第i个元素的压损应力；

Ai――第i个元素的剖面面积；

当σtu/σ或σcc/σ>1时，结构满足设计要求。

4 结语

在复杂结构的分析计算中，工程计算方法较为复杂，简化后难以保证方法的准确性和可靠性。采用有限单元法建立细节模型，可更快速，准确的得出结构的应力分布和薄弱剖面的内力，对结构进行强度校核和优化设计，使结构更加合理。

参考文献

[1] 飞机设计手册・9・载荷、强度和刚度[M].航空工业出版社，2001.