[发明专利]一种锥面垫圈有限元分析方法

说明书

本发明涉及一种锥面垫圈有限元分析方法，属于飞机强度设计领域。通过对锥面垫圈在凹面挤压和平面支持情况下的受力及变形分析，合理简化了有限元模型，巧妙设置了约束条件，使之既满足了有限元分析时限制刚体运动的要求，也符合了锥面垫圈在凹面挤压和平面支持情况下沿径向膨胀的实际变形趋势，方法简单，计算时间短，精度高，可大量运用于回转体结构在均布压载下的应力分析。

技术领域

本发明属于飞机强度设计领域，具体涉及一种锥面垫圈有限元分析方法。

背景技术

垫圈是指垫在被连接件和螺母之间的零件，用来保护被连接件表面不受螺母擦伤，分散螺母对被连接件的压力，可分为平垫圈、球面垫圈、锥面垫圈等。锥面垫圈与球面垫圈配合使用时具有止退作用，紧固时不易松动，可使用于重要受力部位的螺栓固定，如发动机架等。

在使用过程中，由于种种因素，发生了锥面垫圈断裂破坏的现象。由于锥面垫圈使用于重要受力部位的螺栓固定，锥面垫圈的断裂破坏将严重影响飞机飞行安全，因而准确查找锥面垫圈断裂破坏的原因十分重要。对锥面垫圈进行断裂破坏原因分析时，通常采用工程分析或有限元分析进行锥面垫圈的应力分析。

工程分析主要是计算锥面垫圈在极限载荷下轴向应力、径向应力和环向应力，从而得到锥面垫圈的工作应力，该方法优点是操作简单，不需要借助计算机工具，可以迅速评估锥面垫圈的应力水平，缺点是计算得到的锥面垫圈工作应力是平均工作应力，无法准确得到锥面垫圈的应力分布状态。有限元分析分为线性静态分析和非线性分析两种：非线性计算通过分别画出锥面垫圈和所接触结构的有限元网格并定义接触进行，优点是计算精度高，缺点是计算时间长；线性静态分析通过画出锥面垫圈有限元网格并在锥面垫圈平面建立若干局部柱坐标系释放径向移动自动度，优点是计算精度高，与垫圈受力后的变形趋势相符，缺点是需要根据有限元网格划分情况建立许多局部坐标系，需要耗费大量时间，特别是有限元网格划分越精细，需要建立的局部坐标系越多。如何借助有限元计算软件，快速准确地得到锥面垫圈应力分布，成为了迫切需要解决的难题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明给出了一种锥面垫圈有限元分析方法，解决了工程分析无法准确得到锥面垫圈应力分布状态与传统有限元分析耗时过长的问题。

本发明提供了一种锥面垫圈有限元分析方法，已知锥面垫圈几何模型，该锥面垫圈的上表面为凹面，下表面为平面，有一个分析坐标系，该分析坐标系有X、Y、Z三个互相垂直的主坐标轴，方案如下：

1)将锥面垫圈几何模型的纵向中心轴与分析坐标系的Z轴平行；

2)过锥面垫圈几何模型的纵向中心轴分别做平行于分析坐标系XOZ平面的第一平面与平行于分析坐标系YOZ平面的第二平面，用第一平面与第二平面将锥面垫圈几何模型切割成四等份；

3)在切割后的锥面垫圈几何模型上划分有限元网格，拓扑类型选择Hex8，合并重复有限元网格节点；

4)在锥面垫圈有限元网格的凹面施加载荷，在锥面垫圈有限元网格的平面位置约束该位置的有限元网格节点的Z向平动自由度；

5)在第一平面和锥面垫圈的平面交线上，选择任一有限元网格节点，约束其X向和Y向平动自由度；

6)在第二平面和锥面垫圈的平面交线上，选择任一有限元网格节点，约束其X向平动自由度；

7)赋予锥面垫圈的材料属性并进行线性静态分析，所得应力云图即为锥面垫圈的应力云图。

需要说明的是，所述锥面垫圈几何模型由CATIA软件画出并导入到 MSC.PATRAN软件中。

需要说明的是，上述各步骤在MSC.PATRAN有限元软件中完成，步骤7) 的线性静态分析通过MSC.NASTRAN有限元软件完成。