飞机舱门在风载作用下的强度

目前，产品的疲劳寿命是现代设计的一个重要指标，疲劳破坏是产品失效的一个主要原因，尤其在航空航天领域. 因此计算飞机在风载作用下的疲劳强度就显得非常重要. 由于飞机是在高空下飞行，所受到载荷激励是非常复杂的，很难具体确定其精确值；只能根据飞机强度标准来确定其风载的加载值. MSC Fatigue 与MSC 公司的其他产品虚拟开发软件相配合，为用户提供疲劳耐久性集成化仿真系统. MSC Patran 是一个集成的并行框架式有限元前后处理及分析仿真系统，利用它可以方便地建立其模型并进行分析；MSCNastran 是一个大型的结构有限元分析软件，利用它来产生模态中性文件（.MNF）；MSC Adams 是目前世界上使用范围广泛的机械系统动力学分析软件，它可以通过建立其模型，施加其载荷后仿真以模拟实际的情况. 其流程如图1：

一、结构建模和仿真分析

1. Patran 建模

网格划分：

如图2 所示，用HEX 网格进行映射划分，Node 数为133，Element 数为51.

材料与属性：

铝合金的材料参数如下： 弹性模量：71.705GPa; 材料密度：2 740 kg/m3，泊松比0.33；长度单位：m .

进行模态分析并提交生成.bdf 文件

2.  运行MSC Nastran

运行MSC Patran 生成的.bdf 文件，生成.MNF文件与.op2 文件.

3.  运行MSC Adams

打开模型图，导入第2 步生成的舱门柔性体，并替换刚性舱门，其他结构在此处被隐藏，如图3 所示.

4.  编写载荷文件，生成mnfload 文件

此载荷文件主要是对舱门表面各节点施加z方向的力，格式如下：

%C tip load in global z

        1 FZ 1

        2 FZ 1

        ……

        66 FZ 1

在DOS 下由运行Adams/flextk 命令生成mnfload 文件：adams05 flextk mnfload cangmen.mnf new.mnf load.txt

二、施加载荷历程

风载的确定：

对飞机受到的阵风载荷进行连续急流分析，以确定其值.

计算单位面积上的风载荷：

确定使用模拟的最大风载荷为6.084 kN/mm2.

模拟假设舱盖打开的角度是从0°到90°，打开时间设置为5 s，舱盖打开的过程中所受到的模拟风载荷随时间变化，所以风载荷函数为：

p = 6.084 × sin(2πft)N/m2，其中：

施加正弦激励F(t)=6.084×sin（1/4×pi×t）进行仿真. 即对舱门各个节点施加频率为π/4，幅值为6.084 N的正弦激励.

施加随机激励：节点施加幅值INVPSD(6.084,.model_name.SPLINE_1, 0.1, 1000.0, 50.0, 0, 4.0)即是对舱门各个节点施加的功率普密度函数.

输出.DAC 文件与模型到MSC Fatigue.

三、校核疲劳强度

校核正弦激励与随机激励共同作用下的疲劳强度：由于舱门在飞行当中受到风载应力，这种情况是属于低应力、高循环的疲劳问题，在工程上称为应变疲劳、低周疲劳或低周应变疲劳即裂纹萌生疲劳强度分析. 该疲劳分析方法用循环应力—应变模型和Neuber 法进行寿命分析.

设置参数：

设置参数为Von Mises，复选Run Factor of Safety Analysis 输入名义应力5 000 MPa.

材料设置：

材料设置为MANTEN_MSN,NO Finish, No Treatment.

载荷设置：

读取在 Adams 中产生的.DAC 文件，即载荷时间历程.

提交并读取：

单击MSC.Patran 中的Results 按钮，选择Factor of Safety 和Safety Factor，单击Apply 按钮生成安全因子云图(见图4)。

由图4 可知，舱门的疲劳寿命安全因子最小值为1.7.

四、结 论

1. 计算过程理论

强度、刚度和疲劳寿命是对工程结构和机械使用的3 个基本要求. 疲劳破坏是工程结构和机械失效的主要原因之一，引起疲劳失效的循环载荷的峰值往往远小于根据静态断裂分析估算出来的“安全”载荷. 自Wohler 将疲劳纳入科学研究以来，疲劳研究就方兴未艾. 其中较传统的疲劳强度寿命估计方法是全寿命分析方法：S-N 曲线和应变寿命分析方法：ξ-N 曲线分析方法即裂纹萌生疲劳分析方法，疲劳裂纹扩展分析方法. 本文主要是用裂纹萌生疲劳分析方法进行疲劳寿命研究，从而研究结构在该材料的极限拉伸强度下的安全应力系数，其计算公式为：

2. 总 结

通过上面的计算可知 ，在满足安全因子的前提下，可以通过改变结构的尺寸，或改变材料等其他因素来进行优化，使其更加满足实际要求，符合实际.

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