一種基于有限元方法的飛行器艙門密封載荷計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于有限元方法的飛行器艙門密封載荷計(jì)算方法，屬于飛行器機(jī) 構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 艙門是飛行器的重要組成部分，它由兩扇大尺度、空間曲面對開式艙門及開閉、鎖 緊機(jī)構(gòu)組成，能實(shí)現(xiàn)自動重復(fù)開閉、鎖緊等動作，并具有良好的密封性能。艙門邊界密封在 艙門關(guān)閉過程中對開閉機(jī)構(gòu)和鎖緊機(jī)構(gòu)產(chǎn)生負(fù)載力矩，如何精確計(jì)算艙門密封負(fù)載力矩是 艙門機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。一方面密封負(fù)載是艙門機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的輸入條件，須在設(shè)計(jì)初 期開展；另一方面，艙門密封包含艙門、密封條和支架（飛行器機(jī)身支撐艙門的結(jié)構(gòu)）之間 的相互作用，存在大變形、接觸和材料非線性。傳統(tǒng)的三維有限元分析方法存在由密封條和 艙門尺寸懸殊引起的網(wǎng)格劃分難、密封條自由放置引起的約束難、非線性引起的收斂難等 諸多問題，亟需一種高效率高精度的飛行器艙門密封載荷設(shè)計(jì)方法。
[0003] 張友坡在《基于有限元法的飛機(jī)艙門結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)》中對典型飛機(jī)艙門結(jié)構(gòu)的有 限元仿真技術(shù)進(jìn)行了研究，使用MSC. PATRAN軟件建立了典型艙門主承力結(jié)構(gòu)的有限元模 型，并用MD. NASTRAN軟件進(jìn)行了計(jì)算，但并未提及密封載荷的計(jì)算。王廣振、池長青、王之 珊、趙國偉在《〇形圈密封載荷衰減研究》中介紹了利用平板壓縮法測試兩種硅橡膠材料〇 形圈的載荷及其衰減規(guī)律情況。對于飛行器艙門密封載荷的計(jì)算及測試還未見到公開的文 獻(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于有限元方法的飛行器艙門 密封載荷計(jì)算方法，解決飛行器艙門自動開閉過程中由密封引起的力矩計(jì)算的問題。
[0005] 本發(fā)明目的通過如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：
[0006] 提供一種基于有限元方法的飛行器艙門密封載荷計(jì)算方法，包括如下步驟：
[0007] (1)把密封條受力簡化為平面應(yīng)變狀態(tài)，利用有限元分析軟件對密封條、與密封條 接觸的支架局部和與密封條接觸的艙門局部進(jìn)行建模、加載、定義接觸，求出單位長度密封 條壓縮需要的力；所述密封條在支架和艙門之間；
[0008] (2)利用有限元分析軟件在艙門鉸鏈處定義轉(zhuǎn)動副并約束轉(zhuǎn)動角位移，同時(shí)在密 封位置對艙門施加與單位長度密封壓縮力等效的壓強(qiáng)，從而得到鉸鏈的支反力矩，即為艙 門密封載荷。
[0009] 其中，步驟（1)具體為：利用密封條、所述艙門局部和所述支架局部的橫截面尺寸 定義幾何模型，密封條利用對稱線將截面取一半，將艙門與密封條接觸區(qū)域截面近似為平 面，支架取與密封條接觸區(qū)域的局部截面，利用有限元分析軟件在XY平面內(nèi)進(jìn)行建模，所 取艙門局部截面一端、支架的局部截面一端與密封條的對稱線在同一直線內(nèi)，X軸平行于該 直線，Y軸垂直于該直線；在密封條和艙門以及密封條和支架之間分別定義帶摩擦的接觸， 摩擦系數(shù)均取值在0.01-1之間，接觸剛度均取值在0.1-10之間；選擇網(wǎng)格的單元類型為 平面應(yīng)變單元，單元形狀以四邊形為主，并要求在密封條的厚度方向有2層或2層以上的網(wǎng) 格；在所述直線上對艙門、支架和密封條施加 Y方向約束，支架外側(cè)施加 X方向的位移載荷， 艙門外側(cè)施加 X方向約束；求解艙門外側(cè)支反力，該支反力的2倍即為單位長度密封條壓縮 需要的力。
[0010] 其中，求解艙門外側(cè)支反力還包括，求解步數(shù)設(shè)置為5-20步；根據(jù)每步的壓縮量 及對應(yīng)的單位長度密封條壓縮需要的力，得到壓縮量和單位長度密封條壓縮需要的力的關(guān) 系。
[0011] 其中，步驟（2)具體為：在有限元分析軟件中導(dǎo)入艙門三維模型，并利用對稱性 在艙門轉(zhuǎn)軸中點(diǎn)，用垂直于轉(zhuǎn)軸的平面將艙門分割成兩半，取一半；在艙門的密封條接觸位 置切割出Imm寬度的密封壓力加載區(qū)，在鉸鏈處定義艙門和大地之間的轉(zhuǎn)動副；在艙門內(nèi) 表面密封壓力加載區(qū)施加與單位長度密封條壓縮所需要的力大小相等的壓強(qiáng)；定義鉸鏈處 轉(zhuǎn)動角位移為〇,求解后輸出所取半個艙門鉸鏈處的支反力矩，支反力矩的2倍即為艙門密 封負(fù)載力矩，即艙門密封載荷。
[0012] 其中，求解艙門密封載荷還包括，求解步長設(shè)置為1-5步；計(jì)算艙門密封條負(fù)載力 矩和單位長度密封條壓縮需要的力的比例關(guān)系，利用該比例關(guān)系和壓縮量和單位長度密封 條壓縮需要的力的關(guān)系，計(jì)算密封條壓縮量和艙門密封條負(fù)載力矩的關(guān)系。
[0013] 優(yōu)選的，采用的有限元分析軟件為ANSYS軟件。
[0014] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0015] (1)本發(fā)明的計(jì)算方法解決了飛行器艙門自動開閉過程中由密封引起的力矩計(jì)算 問題，為艙門自動開閉機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)，在國內(nèi)尚屬首創(chuàng)。
[0016] (2)本發(fā)明采用有限元軟件ANSYS計(jì)算得到了飛行器艙門密封引起的負(fù)載力矩， 計(jì)算過程分為兩步：第一步求出單位長度密封條壓縮需要的力，第二步根據(jù)在艙門上施加 該力求出艙門負(fù)載力矩。該方法有效的避開了傳統(tǒng)三維有限元分析方法難建模、難約束、難 收斂的問題，經(jīng)兩個步驟的合理簡化帶來了求解效率的顯著提高，便于一般工程技術(shù)人員 使用，高效快捷。
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明整體流程圖；
[0018] 圖2為本發(fā)明單位長度密封條壓縮力計(jì)算流程圖；
[0019] 圖3為本發(fā)明密封條負(fù)載力矩計(jì)算流程圖；
[0020] 圖4為本發(fā)明單位長度密封條壓縮力計(jì)算幾何建模示意圖；
[0021] 圖5為本發(fā)明單位長度密封條壓縮力計(jì)算的艙門支反力結(jié)果示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0022] 計(jì)算過程分為兩步：（1)把密封條受力簡化為平面應(yīng)變狀態(tài)，求出單位長度密封 條壓縮需要的力；飛行器艙門密封使用空心圓柱形密封條，其軸向尺寸遠(yuǎn)大于橫截面尺寸， 且橫截面內(nèi)的截面形狀和所受載荷都近似相同。因此密封條受力情況可簡化為平面應(yīng)變狀 態(tài)，簡化的方式為本領(lǐng)域公知技術(shù)；（2)在艙門鉸鏈處定義轉(zhuǎn)動副并約束轉(zhuǎn)動角位移，同時(shí) 在密封位置施加與單位長度密封壓縮力等效的壓強(qiáng)，從而得到鉸鏈的支反力矩，即為艙門 密封載荷。本發(fā)明采用有限元分析軟件實(shí)現(xiàn)，本實(shí)施中采用ANSYS。
[0023] (a)利用ANSYS Workbench的靜力模塊進(jìn)行單位長度密封條壓縮需要的力計(jì)算， 具體步驟如下：
[0024] (al)在ANSYS Workbench的工程材料模塊中分別定義密封條、支架和艙門的材 料，所述的支架為飛行器機(jī)身支撐艙門的結(jié)構(gòu)；材料屬性包括彈性模量、泊松比等2類參 數(shù)；
[0025] (a2)ANSYS Workbench的幾何模塊中利用密封條、艙門和支架的橫截面的尺寸定 義幾何，并利用對稱取一半，其中支架和艙門截面做了簡化，其中由于艙門曲率半徑遠(yuǎn)大于 密封條橫截面曲率半徑，將其與密封條接觸區(qū)域截面近似為平面；定義中，密封條、艙門和 支架必須在獨(dú)立的3個Front平面中定義，生成3個獨(dú)立的面物體（surface body);長度 單位取mm ;
[0026] (a3)在密封條和艙門以及密封條和支架之間分別定義帶摩擦的接觸，其摩擦系數(shù) 取〇. 1 ;接觸剛度取1 ;網(wǎng)格類型選四邊形為主，并要求在密封條的厚度方向有2層網(wǎng)格，然 后劃分網(wǎng)格；
[0027] (a4)載荷在支架上施加最大壓縮量的X方向位移，上表面為對稱面，施加 Y方向約 束，艙門右邊施加 Y方向約束；
[0028] (a5)打開大變形選項(xiàng)（Large Deflection設(shè)置為on);用定步長，設(shè)置計(jì)算10步； 選擇艙門右邊Y方向約束輸出支反力；打開大變形選項(xiàng)，進(jìn)行求解；
[0029] (a6)在支反力的計(jì)算結(jié)果中，可得到不同時(shí)刻的支反力，可折算為不同壓縮量的 支反力；由于用了一半模型，此支反力的2倍即為單位密封條長度的支反力，單位為N/mm ;
[0030] (b)如圖3所示，利用ANSYS Workbench的靜力模塊進(jìn)行艙門密封負(fù)載力矩計(jì)算， 具體步驟如下：
[0031] (bl)直接引用（al)定義的艙門材料；
[0032] (b2) ANSYS Workbench的幾何模塊中導(dǎo)入1_0各式的艙門三維CAD模型，并利用對 稱在艙門鉸鏈方向取一半；為了密封條支反力施加到艙門的法線方向，利用Slice功能在 艙門接觸密封條位置切割出了 Imm寬度的密封壓力加載區(qū)；
[0033] (b3)在鉸鏈處定義艙門和Groud之間的轉(zhuǎn)動副類型的Joint ;用默認(rèn)值劃分網(wǎng) 格；
[0034] (b4)在艙門內(nèi)表面密封壓力加載區(qū)施加單位密封條長度的支反力大小的壓力載 荷（單位為MPa);鉸鏈處施加0°轉(zhuǎn)角約束；
[0035] (b