畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）
題 目： 飛機(jī)機(jī)翼機(jī)身對(duì)接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析
學(xué)生姓名
二級(jí)學(xué)院
班 級(jí)
提交日期
目錄
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摘 要 III
Abstract IV
1 緒論 1
1.1工程背景與研究目的和意義 1
1.2本文主要的研究?jī)?nèi)容 3
2 飛機(jī)機(jī)身機(jī)翼對(duì)接結(jié)構(gòu)形式 5
2.1機(jī)翼機(jī)身的對(duì)接設(shè)計(jì) 5
2.2機(jī)身側(cè)邊對(duì)接時(shí)機(jī)身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和對(duì)接接頭形式 5
2.3有中央翼通過(guò)時(shí)機(jī)翼機(jī)身的對(duì)接設(shè)計(jì) 8
2.4變后掠機(jī)翼機(jī)身對(duì)接 11
3 基于catia軟件對(duì)機(jī)身機(jī)翼對(duì)接結(jié)構(gòu)三維建模 12
3.1計(jì)算機(jī)輔助軟件catia介紹 12
3.2 機(jī)身機(jī)翼對(duì)接結(jié)構(gòu)三維模型建立 12
3.2.1用CATIA軟件對(duì)機(jī)身機(jī)翼對(duì)接結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模 12
3.2.2計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型簡(jiǎn)單分析 13
4 基于ansys軟件對(duì)機(jī)身機(jī)翼對(duì)接結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析 16
4.1計(jì)算機(jī)輔助工程軟件ANSYS介紹 16
4.2機(jī)身機(jī)翼對(duì)接結(jié)構(gòu)有限元分析 16
4.2.1前處理 16
4.2.2材料參數(shù)設(shè)置 17
4.2.3網(wǎng)格劃分 19
4.2.4邊界條件設(shè)定及加載 21
4.2.5機(jī)身機(jī)翼對(duì)接結(jié)構(gòu)ansys后處理 22
5 結(jié)論與體會(huì) 28
5.1結(jié)論 28
5.2體會(huì) 28
參考文獻(xiàn) 29
致謝 30
II
機(jī)翼機(jī)身對(duì)接結(jié)構(gòu)數(shù)值分析
摘 要
隨著科技發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，飛機(jī)行業(yè)的發(fā)展逐年遞增，隨著行業(yè)的發(fā)展，對(duì)飛機(jī)設(shè)計(jì)的研究也逐步加深。機(jī)翼是飛機(jī)重要組成部分，機(jī)翼機(jī)身對(duì)接也是目前比較重要的研究課題，這個(gè)環(huán)節(jié)在整個(gè)飛機(jī)設(shè)計(jì)中起到關(guān)鍵作用，其設(shè)計(jì)的好壞嚴(yán)重關(guān)系到飛機(jī)飛行性能和飛行安全，本文首先詳細(xì)的介紹了飛機(jī)機(jī)翼機(jī)身對(duì)接結(jié)構(gòu)及受力特點(diǎn)，然后應(yīng)用catia軟件對(duì)其進(jìn)行了三維模型建模，最后應(yīng)用ansys軟件進(jìn)行了有限元建模及分析，結(jié)果顯示最大等效應(yīng)力和變形量滿足工程應(yīng)用要求。
因?yàn)楸敬握撐闹薪＼浖atia和有限元分析軟件ansys的使用，所以能夠使我們對(duì)機(jī)身機(jī)翼對(duì)接結(jié)構(gòu)的模型和機(jī)翼的變形量以及受力分析有了更加直觀的認(rèn)識(shí)及了解。
關(guān)鍵字：機(jī)身機(jī)翼對(duì)接接頭、三維建模、有限元分析
Numerical analysis of wing fuselage docking structure
Abstract
Science and technology development, social progress, the development of the aircraft industry is increasing year by year, with the development of the industry, the research on aircraft design is gradually deepening. Wing is one of the important parts of aircraft, wing fuselage connection is currently more important research topic, this link in the aircraft design to a key role, its design is good or bad, seriously relationship to aircraft flight performance and flight safety. Firstly, this paper detailed introduced flying wing aircraft fuselage connection structure and mechanical characteristics, and application software of CATIA three-dimensional modeling of the, finally the application of ANSYS software of finite element modeling and analysis, results show that the maximum equivalent should force and deformation meet the requirements of engineering applications.
Because the use of the modeling software CATIA and finite element analysis software ANSYS, so to enable us to fuselage wing docking structure model and wing deformation and stress analysis with more intuitive understanding and the understanding.
Key words: fuselage wing butt joint, 3D modeling, finite element analysis
第1章 緒論
1 緒論
1.1工程背景與研究目的和意義
19世紀(jì)50年代法國(guó)的吉法德進(jìn)行一項(xiàng)研究并且成功的發(fā)明了飛機(jī)的前身—軟式飛艇。
通過(guò)之后的實(shí)踐證明軟式飛艇還是有問(wèn)題的。后來(lái)就在想從的氣囊的里面進(jìn)行穩(wěn)固這就發(fā)展成了半硬式飛艇。幾年后，又有一位聰明的愛(ài)好者用木質(zhì)材料制作了一個(gè)外部支架，同時(shí)將氣囊綁在支架內(nèi)，以此保證外部結(jié)構(gòu)不變形，這就是硬式飛艇。這類的硬式飛艇利于飛艇的運(yùn)輸。到了19世紀(jì)80年代德國(guó)的兩位工程師一起發(fā)明了一個(gè)機(jī)器—汽油發(fā)動(dòng)機(jī)。
多年以后，一位名叫齊柏林的創(chuàng)造出了當(dāng)時(shí)最新型的飛艇，我們稱之為硬式飛艇。這類飛艇的氣囊外形不僅美觀實(shí)用而且還被非常好的固定同時(shí)又用了當(dāng)時(shí)非常先進(jìn)的動(dòng)力源。20世紀(jì)齊柏林駕駛著他創(chuàng)造出的硬式飛艇成功的完成了試飛，在世界上引起了極大的轟動(dòng)。20世紀(jì)初，一種新型并且非常實(shí)用的飛艇被法國(guó)的一對(duì)兄弟創(chuàng)造了出來(lái)。這類飛艇在第一次試飛時(shí)就飛躍了61公里，在飛艇的進(jìn)程上完成了重要的跨越。
從此之后，飛艇進(jìn)入了快速發(fā)展的時(shí)期，不僅在交通運(yùn)輸上占一定地位而且在軍事方面也得到了廣泛應(yīng)用比如：英、德、蘇等強(qiáng)國(guó)相繼組建了一支支飛艇部隊(duì)并且投入到了實(shí)戰(zhàn)中還獲得了極大的成功。例如：在20世紀(jì)初的意土戰(zhàn)爭(zhēng)中意大利率先派出了軍用飛艇進(jìn)行偵察了與最轟炸，最后土耳其戰(zhàn)敗意大利獲得了勝利；20世紀(jì)初期，德國(guó)派出了飛艇對(duì)法國(guó)的重要城市列日進(jìn)行了大規(guī)模的轟炸最后法國(guó)戰(zhàn)敗德國(guó)取得了勝利；一年以后，在第二次世界大戰(zhàn)中德國(guó)又出動(dòng)飛艇對(duì)當(dāng)時(shí)的強(qiáng)國(guó)英國(guó)倫敦進(jìn)行了轟炸造成了多人傷亡，并且毀壞了大量的建筑。
在運(yùn)輸方面，德國(guó)于20世紀(jì)初在法蘭克福與杜塞爾多夫之間建立了一條定期飛艇空中航線。正是因?yàn)轱w艇的發(fā)展才有了后來(lái)萊特兄弟發(fā)明的飛機(jī)。
飛機(jī)的快速發(fā)展幾乎是由美國(guó)、蘇聯(lián)帶著發(fā)展，核心技術(shù)掌握的內(nèi)容各不相同，行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)僅僅局限在兩國(guó)軍事上的競(jìng)爭(zhēng)，促進(jìn)了翼身融合、自適應(yīng)機(jī)翼、一體化設(shè)計(jì)等一系列先進(jìn)航空技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展。當(dāng)然在機(jī)翼結(jié)構(gòu)布局和機(jī)身機(jī)翼對(duì)接設(shè)計(jì)等許多方面也各持不同的方式比如：
（1）在結(jié)構(gòu)上美國(guó)采用多墻厚蒙皮結(jié)構(gòu)而蘇聯(lián)多采用的是多長(zhǎng)桁、多肋梁式的結(jié)構(gòu)；
（2）美式連接接頭處交點(diǎn)數(shù)多于蘇聯(lián)，蘇聯(lián)的傳力比美式更加集中；
（3）美國(guó)在飛機(jī)機(jī)翼機(jī)身的對(duì)接螺栓的放置上多采用的水平放置方式； 而蘇聯(lián)多采用豎直的放置方式；
（4）美國(guó)式飛機(jī)的對(duì)接接頭與蘇聯(lián)相比不笨重， 能夠減少加工時(shí)間， 減少材料的浪費(fèi)， 而且工藝性較好；
（5）蘇聯(lián)設(shè)計(jì)時(shí)由于接頭少的原因而造成連接結(jié)構(gòu)的傳力大，因此對(duì)加工有很高要求； 而美國(guó)飛機(jī)在這個(gè)地方的要求沒(méi)有那么嚴(yán)格；
（6）蘇聯(lián)在機(jī)身機(jī)翼接頭設(shè)計(jì)上比美國(guó)更加重視綜合性能的設(shè)計(jì)，而美國(guó)比蘇聯(lián)的飛機(jī)有更好的工藝性同時(shí)也更加便于維護(hù)。
對(duì)于薄翼，即相對(duì)厚度小于0.45時(shí)，沒(méi)事飛機(jī)的結(jié)構(gòu)布局比較合理，對(duì)于降低結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重量、改善工藝、減少裝配難度、提高互換性和飛行的安全性都有著較大的優(yōu)勢(shì)。蘇聯(lián)后續(xù)的飛機(jī)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不斷地吸收美式飛機(jī)優(yōu)點(diǎn)的現(xiàn)象日趨明顯。
我國(guó)的早起飛機(jī)都是按靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)的，對(duì)結(jié)構(gòu)受力的關(guān)鍵件普遍采用高強(qiáng)度鋼材料。高強(qiáng)度鋼具有斷裂韌性底、裂紋礦長(zhǎng)速率大的特性，從而使得結(jié)構(gòu)抗疲勞斷裂能力差。就機(jī)翼機(jī)身對(duì)接接頭而言，機(jī)翼梁架勢(shì)布局導(dǎo)致結(jié)構(gòu)傳力相當(dāng)集中，為減輕結(jié)構(gòu)重量，提高飛行性能，選用的材料必須是高強(qiáng)度鋼，但總體結(jié)構(gòu)布局和氣動(dòng)外形又不允許接頭結(jié)構(gòu)有大的改變，也正是因?yàn)閲?guó)外在機(jī)身機(jī)翼對(duì)接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)他們的連接結(jié)構(gòu)等各方面進(jìn)行分析，所以對(duì)中國(guó)飛機(jī)的設(shè)計(jì)研究帶來(lái)重要的意義，同時(shí)促進(jìn)了我國(guó)飛機(jī)的發(fā)展。
隨著時(shí)代的發(fā)展，飛機(jī)不止應(yīng)用于運(yùn)輸和軍事，越來(lái)越多的應(yīng)用于我們的生活中。不管是戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)代的戰(zhàn)機(jī)還是今天的載客客機(jī)，機(jī)身機(jī)翼結(jié)構(gòu)的可靠性一直是飛機(jī)研發(fā)的重點(diǎn)，在早期的飛機(jī)設(shè)計(jì)中由于飛機(jī)速度低，機(jī)動(dòng)過(guò)載小，結(jié)構(gòu)疲勞問(wèn)題不是主要的，為保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)的安全可靠，一般憑經(jīng)驗(yàn)規(guī)定一個(gè)安全系數(shù)，用這個(gè)安全系數(shù)乘以使用彩盒得到的設(shè)計(jì)載荷，以此載荷進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析和試驗(yàn)，并規(guī)定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不得低于結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作應(yīng)力。這種對(duì)結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算分析的方法一直沿用到今天，通過(guò)幾十年的實(shí)踐的檢驗(yàn)，證明了其可行性，但也漸漸暴露出了一些弊端。實(shí)際上無(wú)論是外載荷還是結(jié)構(gòu)強(qiáng)度都存在著一個(gè)散布度，安全系數(shù)應(yīng)當(dāng)反映結(jié)構(gòu)的可靠度，不同結(jié)構(gòu)、同一結(jié)構(gòu)不同部位的完全系數(shù)不同，由此結(jié)構(gòu)可靠性安全系數(shù)得以產(chǎn)生和發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生，越來(lái)越多的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)輔助分析相關(guān)內(nèi)容被帶入了飛機(jī)行業(yè)的研發(fā)中，在當(dāng)今社會(huì)，人們對(duì)科技的要求越來(lái)越高，對(duì)飛機(jī)的安全性越來(lái)越重視，那么利用計(jì)算機(jī)輔助完成飛機(jī)分析就變得更有意義。
將尾翼、起落架、機(jī)翼等多種零件通過(guò)各種連接接頭拼成的一個(gè)完整的整體，這個(gè)整體就是機(jī)身。在所有連接設(shè)計(jì)中，機(jī)翼機(jī)身的連接設(shè)計(jì)在整個(gè)飛機(jī)連接設(shè)計(jì)中都有著舉足輕重的地位。這是由于在機(jī)冀與機(jī)身的對(duì)接構(gòu)件不僅互相之間有連接關(guān)系同時(shí)還和其他部位的許多構(gòu)件存在連接關(guān)系，所以這些結(jié)構(gòu)的情況比較復(fù)雜同時(shí)還因?yàn)橛卸嘀貍髁β肪€所以很難得到準(zhǔn)確同時(shí)完整的結(jié)果，且在構(gòu)件中的一些連接部位與連接元件比較容易疲勞開(kāi)裂。因此，設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到連接部位的受力合理：在制造、裝配等各方面的工藝性好同時(shí)便于檢測(cè)和維護(hù)，除了保證強(qiáng)度外，關(guān)鍵件的耐久性的設(shè)計(jì)還必須到達(dá)必要的具體指標(biāo)，同時(shí)盡量減輕結(jié)構(gòu)的重量。為此與設(shè)計(jì)有關(guān)的各關(guān)方面都需要隨時(shí)進(jìn)行協(xié)商與探討，以達(dá)到最滿意的效果。連接設(shè)計(jì)包括以下內(nèi)容：接頭的位置、接頭的配合間隙與容差、接頭的構(gòu)造形式等。對(duì)所有的方案必須是準(zhǔn)確且經(jīng)過(guò)充分的計(jì)算的，對(duì)關(guān)鍵件要重點(diǎn)比較以及必要的可靠性分析來(lái)完成的試驗(yàn)。本文采用實(shí)體三維建模和有限元方法，對(duì)飛機(jī)的機(jī)翼在建模軟件CATIA和有限元分析軟件ANSYS下計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，而CATIA和ANSYS在各項(xiàng)領(lǐng)域發(fā)揮著至重要的作用，正是因?yàn)檫@次畢設(shè)，才有幸接觸到這兩個(gè)非常重要的軟件并且能夠熟練的運(yùn)用這兩個(gè)軟件，相信在未來(lái)的學(xué)習(xí) 以及工作中都能運(yùn)用到，能在其他一般的畢業(yè)生中脫穎而出。
1.2本文主要的研究?jī)?nèi)容
本次設(shè)計(jì)的課題是飛機(jī)的機(jī)翼機(jī)身對(duì)接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及分析，主要目的是讓我提高自身的學(xué)習(xí)能力，拓寬我們學(xué)習(xí)的視野，不僅僅把目光停留在課本上，還要結(jié)合實(shí)踐，能夠自己查閱各類書籍和相關(guān)知識(shí)并運(yùn)用到設(shè)計(jì)中去。通過(guò)這次的畢設(shè)認(rèn)識(shí)到了自己在知識(shí)儲(chǔ)備上的不足，在今后的學(xué)習(xí)及工作中還需要多多學(xué)習(xí)各方面的知識(shí)，當(dāng)然這不僅是僅僅局限在書本上，還需要結(jié)合實(shí)際，只有這樣才能更好的提升自己。
本文研究的主要內(nèi)容是飛機(jī)機(jī)身機(jī)翼對(duì)接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及分析，因此我會(huì)對(duì)本課題的發(fā)展做一個(gè)全面的查詢，并對(duì)本課題的研究的意義以及對(duì)飛機(jī)機(jī)翼機(jī)身對(duì)接結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹，讓我們對(duì)本課題有一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)。再使用CATIA軟件進(jìn)行三維建模，最后使用ANSYS軟件對(duì)該模型進(jìn)行有限元分析，得出結(jié)論。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，本文的主要研究?jī)?nèi)容是：
第1章 工程背景以及研究目的
第2章 了解機(jī)身機(jī)翼對(duì)接形式
第3章 使用CATIA軟件對(duì)飛機(jī)機(jī)身機(jī)翼對(duì)接結(jié)構(gòu)的進(jìn)行三維建模
第4章 對(duì)三維模型用有限元軟件ANSYS進(jìn)行有限元分析
第5章 對(duì)用ANSYS軟件分析出來(lái)的結(jié)果進(jìn)行分析并得出結(jié)論
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第2章 飛機(jī)機(jī)身機(jī)翼對(duì)接結(jié)構(gòu)形式
2 飛機(jī)機(jī)身機(jī)翼對(duì)接結(jié)構(gòu)形式
2.1機(jī)翼機(jī)身的對(duì)接設(shè)計(jì)
機(jī)翼與機(jī)身的對(duì)接形式如圖2.1所示，機(jī)翼與機(jī)身的對(duì)接可分為有機(jī)翼通過(guò)機(jī)身與左機(jī)翼連于機(jī)身和機(jī)翼通過(guò)機(jī)身與右機(jī)翼連于機(jī)身兩種形式；在機(jī)翼通過(guò)時(shí)又分為整個(gè)中央翼翼盒通過(guò)或只有幾根翼梁通過(guò)兩種。
圖2.1機(jī)翼機(jī)身對(duì)接機(jī)構(gòu)
2.2機(jī)身側(cè)邊對(duì)接時(shí)機(jī)身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和對(duì)接接頭形式
（1）接頭數(shù)量
圖2.2所示為殲-7機(jī)翼與機(jī)身是通過(guò)多個(gè)個(gè)接頭連接：前梁、主梁、油箱隔板梁等多個(gè)連接結(jié)構(gòu)連接而成。
（2）接頭設(shè)計(jì)
為傳遞力一般可安排一個(gè)接頭傳遞給機(jī)身，如圖2.3，圖2.4為幾個(gè)帶有固接接頭的加強(qiáng)框，圖2.5中兩架飛機(jī)，由于機(jī)翼機(jī)身要圓滑過(guò)渡，因此對(duì)接框在連接處的高度可大于機(jī)翼腹板的原有高度，所以此對(duì)接框會(huì)比較輕。
圖2.2殲-7 機(jī)翼與機(jī)身的連接
圖2.3 后掠機(jī)翼梁的連接
圖2.4 機(jī)身加強(qiáng)框上有固接接頭
圖2.5 薄翼與機(jī)身對(duì)接情況
（3）機(jī)翼在機(jī)身側(cè)邊連接時(shí)的接頭形式
圖2.6為機(jī)翼在機(jī)身側(cè)邊連接時(shí)的幾種接頭形式，圖2.6(a)所示的耳片垂直、螺栓水平放置的接頭在傳剪力、彎矩時(shí)螺栓均為受剪，對(duì)提高連接件的疲勞強(qiáng)度有利，在很多低速、小飛機(jī)上常采用這種形式，圖2.6(b)為水平耳片連接，螺栓垂直放置；在圖2.2中的接頭II是上述耳片接頭(b)、(e)的綜合，傳彎、剪時(shí)螺栓均受剪，且因傳剪時(shí)耳片不需受局部彎曲、增大接頭有效間距；但在加工與裝配方面比較困難；圖2.6(c)中的接頭，耳片帶斜度；圖2.6(d)中的螺樁式連接是F-104的機(jī)翼—機(jī)身對(duì)接接頭，在對(duì)接框上伸出4個(gè)水平螺柱；圖2.6(f)，(g)均為傳遞剪力的鉸接接頭。
圖2.6連接接頭的幾種形式
2.3有中央翼通過(guò)時(shí)機(jī)翼機(jī)身的對(duì)接設(shè)計(jì)
(1)機(jī)冀和機(jī)身框各自獨(dú)立時(shí)的對(duì)接
從原則上說(shuō)帶中央翼的機(jī)翼靠四個(gè)鉸接接頭就能將機(jī)翼的剪力、扭矩和反對(duì)稱彎矩傳給機(jī)身，圖2.7和圖2.8為機(jī)翼和機(jī)身各自獨(dú)立的連接。圖2.7為波音-707的翼身對(duì)接，機(jī)翼以嵌入形式插到前、后兩個(gè)對(duì)接框之間，通過(guò)四個(gè)空心銷將機(jī)翼前、后梁與框?qū)?。圖2.8是銷典型的鉸接接頭，既簡(jiǎn)單，又易于安裝。這種設(shè)計(jì)允許冀梁與框各自獨(dú)立變形，因此自由轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)翼在彎曲時(shí)對(duì)框的影響與作用在框上的增壓載荷和地板梁的撓曲對(duì)框—地板梁接頭而育，其載荷是相加的；x方向的載荷，如機(jī)翼阻力、發(fā)動(dòng)機(jī)推力主要通過(guò)機(jī)身下方的機(jī)身龍骨梁傳給機(jī)身，龍骨梁上的柔性板能在機(jī)翼彎曲時(shí)承受彎曲引起的力，該龍骨梁也作為機(jī)身下部開(kāi)口處的重要受力構(gòu)件，此外中央翼盒上方的地板縱梁以及側(cè)肋的上緣條與機(jī)身側(cè)壁的連接也是x向力的輔助傳力路線。
圖2.7機(jī)身機(jī)翼連接
圖2.8空心銷結(jié)構(gòu)及其示意圖
圖2.9(a)為HSl25飛機(jī)的翼—身對(duì)接，圖2.9(b)則通過(guò)四個(gè)角盒與框連，圖2.9中與框連接的接頭(連桿或角直)只能侍遞框平面內(nèi)的力，因此基本上也屬鉸接接頭。
圖2.9機(jī)翼機(jī)身對(duì)接
（2）中央翼梁與機(jī)身對(duì)接框?yàn)檎w結(jié)構(gòu)
圖2.10(a)所示為波音-737、波音-747的對(duì)接框設(shè)計(jì)，由于機(jī)翼?yè)锨偷匕辶?位于地板與機(jī)翼上表面之間的縱向布置的構(gòu)件)的影響，有可能使框變形過(guò)大(圖2.11)。(圖2.10(b)為另一種中央翼梁—機(jī)身的整體結(jié)構(gòu)。機(jī)翼—機(jī)身的對(duì)接形式很多，圖2.12還提供了幾種例子供參考。
圖2.10 機(jī)翼梁和框做成整體
圖2.11 波音-737 飛機(jī)機(jī)翼與機(jī)身隔框的連接方案
圖2.12中央機(jī)翼機(jī)身對(duì)接的幾種形式
2.4變后掠機(jī)翼機(jī)身對(duì)接
變后掠機(jī)翼的外翼通過(guò)樞軸與中央翼盒連接，中央冀盒與機(jī)身連接。圖2.13所示為翼-身融合體設(shè)計(jì)，中央翼也即是機(jī)身結(jié)構(gòu)的一部分(如B-l轟炸機(jī))，樞軸可用單剪切銷于，此時(shí)需用全高度的垂直銷子來(lái)平衡從外翼突耳上傳來(lái)的機(jī)真彎矩(如圖2.13(b))，也可采用雙剪切銷子，分成上、下兩組傳遞彎矩，采用上、下兩個(gè)短銷子的形式。
圖2.13變后掠機(jī)翼機(jī)身連接
上面所述為機(jī)身機(jī)翼對(duì)接機(jī)構(gòu)形式介紹，也是目前各個(gè)飛機(jī)研發(fā)中心采用的主要設(shè)計(jì)形式。接下來(lái)就將使用計(jì)算機(jī)輔助軟件catia進(jìn)行三維建模。
第3章 基于catia軟件對(duì)機(jī)身機(jī)翼對(duì)接結(jié)構(gòu)三維建模
3 基于catia軟件對(duì)機(jī)身機(jī)翼對(duì)接結(jié)構(gòu)三維建模
3.1計(jì)算機(jī)輔助軟件catia介紹
CATIA是法國(guó)達(dá)索公司的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)旗艦解決方案。作為PLM協(xié)同解決方案的一個(gè)重要組成部分，它可以幫助制造廠商設(shè)計(jì)他們未來(lái)的產(chǎn)品，并支持從項(xiàng)目前階段、具體的設(shè)計(jì)、分析、模擬、組裝到維護(hù)在內(nèi)的全部工業(yè)設(shè)計(jì)流程。
3.2 機(jī)身機(jī)翼對(duì)接結(jié)構(gòu)三維模型建立
基于第二章對(duì)機(jī)身機(jī)翼對(duì)接結(jié)構(gòu)的研究，選擇下列一種通用接頭進(jìn)行研究，通過(guò)CATIA對(duì)其進(jìn)行三位CAD模型搭建，進(jìn)一步研究結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及受力分析情況。
圖3.1耳片接頭結(jié)構(gòu)形式
3.2.1用CATIA軟件對(duì)機(jī)身機(jī)翼對(duì)接結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模
打開(kāi)三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件CATIA，進(jìn)入裝配設(shè)計(jì)模塊，分別針對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型建立，建立模型根據(jù)模型的特征進(jìn)行原始模型簡(jiǎn)化，通過(guò)工程可行性進(jìn)行模型的初定，為結(jié)構(gòu)的受力分析做基礎(chǔ)。
根據(jù)結(jié)構(gòu)分析及軟件相關(guān)應(yīng)用建立模型如下:
圖3.2機(jī)身機(jī)翼對(duì)接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型
3.2.2計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型簡(jiǎn)單分析
根據(jù)機(jī)身機(jī)翼對(duì)接結(jié)構(gòu)，我們將其分成幾部分進(jìn)行研究，分別為機(jī)翼骨架、機(jī)翼連接結(jié)構(gòu)、機(jī)身骨架、機(jī)身耳板、機(jī)身機(jī)翼連接銷幾部分，分別通過(guò)零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)等模塊進(jìn)行分別建模、裝配得到上面主模型，下面我們分別介紹每一部分圖形建模流程和相關(guān)操作，進(jìn)一步認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的三維應(yīng)用。
1）機(jī)翼建模
根據(jù)軟件應(yīng)用，進(jìn)入CATIA零件設(shè)計(jì)模塊，選擇基準(zhǔn)面進(jìn)入草圖完成下列操作。
圖3.3機(jī)翼骨架設(shè)計(jì)草圖
退出草圖，拉伸相關(guān)實(shí)體，將實(shí)體進(jìn)行修正和陣列等操作，完成整個(gè)框架的搭建，如圖3.4所示。
圖3.4機(jī)翼骨架CATIA模型
2）基于CATIA機(jī)身耳板簡(jiǎn)化模型
新建零件設(shè)計(jì)，并進(jìn)入零件設(shè)計(jì)模型，根據(jù)已有機(jī)翼模型進(jìn)行機(jī)身耳板簡(jiǎn)化模型建立，模型如圖3.5所示。
圖3.5機(jī)身耳板CATIA模型
3）基于CATIA機(jī)身機(jī)翼連接銷簡(jiǎn)化模型
新建零件設(shè)計(jì)，并進(jìn)入零件設(shè)計(jì)模型，根據(jù)已有機(jī)翼機(jī)身對(duì)接結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行連接銷簡(jiǎn)化模型建立，模型如圖3.6所示。
圖3.6機(jī)身機(jī)翼連接銷CATIA簡(jiǎn)化模型
本章主要是利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件CATIA對(duì)機(jī)身機(jī)翼對(duì)接結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化模型建立，根據(jù)三維模型的搭建進(jìn)一步了解了CATIA軟件，并對(duì)機(jī)身機(jī)翼對(duì)接結(jié)構(gòu)有了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，更讓計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的流程牢牢掌握。本節(jié)內(nèi)容為進(jìn)一步對(duì)機(jī)身機(jī)翼對(duì)接結(jié)構(gòu)分析提供了重要基礎(chǔ)。
第4章 基于ansys軟件對(duì)機(jī)身機(jī)翼對(duì)接結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析
4 基于ansys軟件對(duì)機(jī)身機(jī)翼對(duì)接結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析
科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，讓虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)得到進(jìn)一步發(fā)展，也讓各個(gè)行業(yè)的設(shè)計(jì)研發(fā)工作得到了質(zhì)的飛躍，航天航空在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中主要應(yīng)用ansys分析軟件對(duì)模型進(jìn)行相關(guān)分析，本節(jié)將使用ansys軟件進(jìn)行介紹并對(duì)機(jī)身機(jī)翼結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分及受力分析。
4.1計(jì)算機(jī)輔助工程軟件ANSYS介紹
ANSYS軟件是美國(guó)ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）軟件，是世界范圍內(nèi)增長(zhǎng)最快的計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）軟件，能與多數(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD，CATIA等）軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換。是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。
ANSYS的作用：
a)增加設(shè)計(jì)功能，借助計(jì)算機(jī)分析計(jì)算，確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性，減少設(shè)計(jì)成本；
b)縮短設(shè)計(jì)和分析的循環(huán)周期；
c)ANSYS分析起到的“虛擬樣機(jī)”作用在很大程度上替代了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中資源消耗極大的“物理樣機(jī)驗(yàn)證設(shè)計(jì)”過(guò)程，虛擬樣機(jī)作用能預(yù)測(cè)產(chǎn)品在整個(gè)生命周期內(nèi)的可靠性；
d)采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，找出產(chǎn)品設(shè)計(jì)最佳方案，降低材料的消耗或成本；
e)在產(chǎn)品制造或工程施工前預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題；
f)模擬各種試驗(yàn)方案，減少試驗(yàn)時(shí)間和經(jīng)費(fèi)；
g)進(jìn)行機(jī)械事故分析，查找事故原因。
4.2機(jī)身機(jī)翼對(duì)接結(jié)構(gòu)有限元分析
4.2.1前處理
根據(jù)課題需求，前處理模型的建立采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件CATIA進(jìn)行三維建模，因此此次ansys前處理只需對(duì)其進(jìn)行導(dǎo)入，結(jié)果如下：
圖4.1 ansys模型導(dǎo)入
4.2.2材料參數(shù)設(shè)置
進(jìn)入ansys軟件，根據(jù)模型材料對(duì)其進(jìn)行材料添加，添加材料如下
打開(kāi)Engineering Data，添加材料，如下圖
圖4.2 添加材料
雙擊，進(jìn)去后首先對(duì)機(jī)翼外層進(jìn)行板厚設(shè)置為3mm，并設(shè)置材料為結(jié)構(gòu)鋼。
圖4.3 對(duì)機(jī)翼外層進(jìn)行板厚設(shè)置為3mm
對(duì)零件進(jìn)行材料設(shè)置為結(jié)構(gòu)鋼如下圖，
圖4.4 材料設(shè)置為結(jié)構(gòu)鋼
對(duì)下圖零件進(jìn)行材料設(shè)置為鋁合金。
圖4.5 材料設(shè)置為鋁合金
4.2.3網(wǎng)格劃分
根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，利用ansys的Model模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分，過(guò)程如下，
1）設(shè)置網(wǎng)格劃分相關(guān)性為medium
圖4.6 設(shè)置網(wǎng)格劃分相關(guān)性為medium
2）插入單元尺寸控制，尺寸大小設(shè)置為50mm，并設(shè)置自動(dòng)接觸半徑為60mm
圖4.7.1 插入單元尺寸控制，尺寸大小設(shè)置為50mm
圖4.7.2 設(shè)置自動(dòng)接觸半徑為60mm
4.2.4邊界條件設(shè)定及加載
根據(jù)機(jī)身機(jī)翼對(duì)接結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行邊界條件設(shè)定，分別設(shè)計(jì)相互接觸及固定等邊界，過(guò)程如下。
圖4.8 生成自動(dòng)接觸對(duì)，對(duì)接觸進(jìn)行設(shè)定
圖4.9 設(shè)置載荷和約束條件
4.2.5機(jī)身機(jī)翼對(duì)接結(jié)構(gòu)ansys后處理
根據(jù)受力情況進(jìn)行計(jì)算，得到下列分析結(jié)構(gòu)
圖4.10等效應(yīng)力云圖
圖4.11最大應(yīng)力位置 局部視圖
由上圖可以清楚的看出最大等效應(yīng)力為12.661mpa，位于機(jī)翼固定端處。
圖4.12等效應(yīng)變?cè)茍D
圖4.13變形云圖
圖4.14最大變形 局部視圖
從上面的幾張圖中可以看出最大變形處為上圖所示位置且最大值為1.6291mpa。
插入結(jié)果查看路徑得到應(yīng)力云圖和曲線圖過(guò)程如下
圖4.14.1插入結(jié)果查看路徑
圖4.14.2插入結(jié)果查看路徑
圖4.15該路徑下的等效應(yīng)力云圖
圖4.16該路徑下的等效應(yīng)力曲線圖
在該路徑下的最大應(yīng)力處如圖4.15所示Max處，且最大值為1.6482mp。
本章主要是利用計(jì)算機(jī)輔助有限元分析軟件ANSYS對(duì)機(jī)身機(jī)翼對(duì)接結(jié)構(gòu)的模型進(jìn)行有限元分析，根據(jù)分析的步驟進(jìn)一步了解了ANSYS軟件，并對(duì)機(jī)身機(jī)翼對(duì)接結(jié)構(gòu)有了更深的認(rèn)識(shí)，更讓計(jì)算機(jī)輔助有限元分析的流程牢牢掌握，同時(shí)也很直觀的所受應(yīng)力的大小以及受到最大的力的位置。本章內(nèi)容為下一章對(duì)機(jī)身機(jī)翼對(duì)接結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果進(jìn)行分析并得出結(jié)論打下了基礎(chǔ)。
5 結(jié)論與體會(huì)
5.1結(jié)論
本文通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及計(jì)算機(jī)輔助分析軟件綜合的應(yīng)用，在caita軟件三維建模的基礎(chǔ)上，應(yīng)用ansys軟件對(duì)其進(jìn)行了有限元建模及分析，結(jié)果顯示機(jī)翼出最大等效應(yīng)力為12.661mpa，位于機(jī)翼固定端處；最大變形處為機(jī)翼中部偏外的位置且最大值為1.6291mpa，最后插入結(jié)果查看路徑中應(yīng)力最大值為1.6482mpa，滿足工程應(yīng)用。另外，根據(jù)分析結(jié)果，為進(jìn)一步結(jié)構(gòu)加強(qiáng)和優(yōu)化布局提供數(shù)據(jù)參考。
5.2體會(huì)
通過(guò)學(xué)習(xí)CATIA和ANSYS軟件，對(duì)所選擇的結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模并對(duì)其進(jìn)行有限元分析，鍛煉了自己運(yùn)用CATIA和ANSYS軟件的能力，也使得機(jī)身機(jī)翼連接件能夠以數(shù)據(jù)和圖片的的形式地呈現(xiàn)在我們眼前，讓我們更加清晰的了解和認(rèn)識(shí)機(jī)身機(jī)翼的連接結(jié)構(gòu)。同時(shí)通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我學(xué)習(xí)到了以前沒(méi)學(xué)過(guò)的知識(shí)和軟件，加強(qiáng)了我對(duì)專業(yè)知識(shí)的了解，也拓寬了我的學(xué)習(xí)視線，認(rèn)識(shí)到了學(xué)校教的并不是這個(gè)專業(yè)的全部，在這個(gè)專業(yè)中還有很大空間可以讓我們自己去學(xué)習(xí)和提升，當(dāng)然不僅僅是本專業(yè)的知識(shí)，還要緊跟科技的腳步，學(xué)會(huì)各類與本專業(yè)有關(guān)的軟件，只有這樣才能在工作中脫穎而出。
致謝
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致謝
經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的努力，我查閱了很多資料，也根據(jù)老師的要求完成了最初制定的所有的任務(wù)。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)凝聚了了我還有我的老師的心血，在這里我要先感謝我的指導(dǎo)老師王芳麗老師對(duì)我的耐心地教導(dǎo)，平時(shí)我一有什么地方有疑問(wèn)就會(huì)去找老師，老師也會(huì)十分耐心地教我，同時(shí)給我許多建議。正是在老師的不厭其煩的教導(dǎo)下我才能順利將一步一步地將畢業(yè)設(shè)計(jì)完成。
另外通過(guò)本次的畢設(shè)我還學(xué)習(xí)了CATIA和ANSYS軟件，學(xué)習(xí)了怎么運(yùn)用CATIA畫圖，然后使用ANSYS對(duì)模型進(jìn)行有限元分析。雖然一開(kāi)始我對(duì)機(jī)身機(jī)翼連接結(jié)構(gòu)不是很熟悉，但是我在不斷學(xué)習(xí)過(guò)程中和老師耐心的教導(dǎo)中學(xué)會(huì)了以前沒(méi)有接觸過(guò)的東西。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，讓我能夠更加深入地了解飛機(jī)的機(jī)身機(jī)翼對(duì)接結(jié)構(gòu)，也讓我的學(xué)習(xí)能力得到了提高，這也是這次畢業(yè)設(shè)計(jì)帶給我的收獲。