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某型货机货舱门结构优化设计(二)

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Ice_XIAO 发表于 2013-4-7 18:08:46

3 货舱门结构分析及优化

    通过货舱门、门框初始设计有限元分析,对结构初始设计的强度、刚度进行摸底,找出初始设计的薄弱位置和强度富裕位置。对薄弱位置进行结构改进,对强度富裕的结构进行优化减重,使舱门在满足设计要求的同时重量最轻。

    3.1 初始设计有限元分析

    3.1.1 货舱门整机有限元模型分析结果

    A 舱门应力分析结果

    舱门结构6种工况应力包络云图如图5所示,舱门大部分结构应力在20-130MPa,下部档块处结构应力较高,平均都在400MPa以上,其他部位应力水平不高,均小于材料屈服强度,舱门与门框下部前端和后端挡块处设计较弱,强度不能满足设计要求,其他结构部件强度满足设计要求。

    图5 舱门结构应力包络云图

    B 舱门和门框的相对变形

    将舱门与门框相对变形分为A、B、C、D 4个区域进行分析,A区域为舱门上部,B区域位于舱门后部,C区域位于舱门前部,D区域位于舱门下部。示意图如图6所示。

    图6 舱门门框变形示意图

    舱门最大变形均超过10mm,舱门与门框相对变形大;2倍气密工况最大变形为2.916mm,舱门与门框相对变形不大。工况55、65、318、633舱门最大变形大主要原因是下部挡块处结构设计较弱,X向载荷较大时框腹板和梁有明显变形。

3.2 货舱门下部两端挡块区域结构改进及分析    分析结果显示舱门与门框下部挡块处设计较弱,强度和刚度均不能满足设计要求,其他结构部件强度和刚度满足设计要求。挡块处结构设计对舱门与门框处相对变形影响很大,所以必须在优化前对下部挡块结构进行改进,使其能够满足刚度和强度要求。    3.2.1 货舱门下部两端挡块区域结构改进    舱门和门框下部两端挡块区域改进主要是增强舱门和门框对于航向载荷的承受能力,将舱门三角支撑延长与框连接,同时增加三角支撑的厚度。门框在挡块结构端部增加沿航向的隔板,在框腹板处增加垫板,同时延长滚轮支座与角片连接,使挡块区域构成盒型结构。    3.2.2 货舱门下部两端挡块区域结构改进结果分析    结构改进后舱门及门框强度和刚度性能大幅提高,满足强度和刚度设计要求。应力包络云图如图7所示。结构改进后下部挡块处应力水平明显下降,最大值为489MPa,小于材料的强度极限。     图7 调整后舱门和门框整体6种工况应力包络云图    结构改进后舱门门框相对变形如表4所示。改进结构后舱门与门框相对变形有明显减小,测量点的最大变形量约为4mm,2倍气密工况最大位移约为2.7mm。    3.3 货舱门结构优化    通过货舱门有限元分析可以知道舱门结构还具有一定的强度富裕,在改进模型的基础上对舱门主承力结构进行结构优化,使舱门在满足设计要求的同时重量最轻。    舱门结构主要可以分为机加件和钣金件两类,由于其制造工艺不同,优化时对机加件和钣金件两类典型结构分别进行优化,优化时考虑强度、刚度性能。确定了舱门典型结构优化基本流程,舱门典型结构优化基本流程图如下。     图8 舱门典型结构优化基本流程图    3.3.1 舱门部分机加件拓扑优化    对机加件进行优化,一般遵循两个原则,一是减重空间大,部件本身有极大的减重余地,二是部件受力较大,结构传力不合理,考虑到强度要求,需进行结构优化。综合以上原则,选择了典型结构进行优化。    机加件优化一般分为两个阶段,阶段一是拓扑优化在设计区域内寻找结构的最佳材料分布;阶段二是根据拓扑优化的结果进行几何重构,然后进行尺寸优化。    A 旋转作动器支座    旋转作动器支座主要承受扭转载荷,优化时考虑到计算效率对模型进行简化,截取一段框作为边界支撑,电机设计极限输出作为优化的载荷。旋转作动器支座使用体单元进行建模,旋转作动器支座上端为非设计区域,下端填充后作为设计区域,如图9所示。     图9 旋转作动器支座拓扑优化初始有限元模型


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