本發(fā)明屬于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種計(jì)算增生裝置滾輪接觸力的方法。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代飛機(jī)飛行性能的提高，高升力增生裝置廣泛采用，其中運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)作為關(guān)鍵承力件，廣泛采用滾輪滑軌接觸形式進(jìn)行集中載荷傳遞，由于滾輪數(shù)目多，傳力大小受局部結(jié)構(gòu)剛度影響，是典型的靜不定結(jié)構(gòu)；且滾輪載荷量級(jí)大，接觸部位受力復(fù)雜，接觸非線性、材料非線性、幾何非線性等問題高度交織。如圖1所示，圖中所示的滾輪滑軌結(jié)構(gòu)采用了兩對(duì)滾輪，即大滾輪1’和小滾輪2’為一對(duì)，另一對(duì)大滾輪3’和小滾輪4’為一對(duì)，均與滑軌5’接觸，其中1’和3’滾輪為主承力滾輪，2’和4’滾輪為次承力滾輪，且滑軌曲率較大，但是隨著滾輪載荷量級(jí)的增大，接觸部位受力更加復(fù)雜，現(xiàn)亟需一種新的分析方法對(duì)載荷分配大小進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，這成為結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析的重要內(nèi)容。

關(guān)于運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)滾輪載荷分析方法，目前主要是工程計(jì)算方法，工程計(jì)算方法將靜不定機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為靜定雙支點(diǎn)直梁，如圖2所示，圖2中所示的工程直梁靜定結(jié)構(gòu)是將圖1中所示的滾輪滑軌結(jié)構(gòu)進(jìn)行滾輪載荷分配得到的，滾輪載荷大小P₁＝Pa/b，P₂＝Pl/b，且不考慮結(jié)構(gòu)剛度、結(jié)構(gòu)非線性(材料非線性、接觸非線性、幾何非線性)對(duì)載荷分配的影響，不能準(zhǔn)確對(duì)滾輪載荷分配進(jìn)行表征。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種計(jì)算增生裝置滾輪接觸力的方法，解決目前的計(jì)算幾何形狀復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)副眾多的高度靜不定運(yùn)動(dòng)操縱機(jī)構(gòu)滾輪力方法不準(zhǔn)確的問題。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種計(jì)算增生裝置滾輪接觸力的方法，所述計(jì)算增生裝置滾輪接觸力的方法采用非線性有限元分析方法，包括

步驟一：根據(jù)滾輪與滑軌結(jié)構(gòu)局部會(huì)產(chǎn)生塑形流動(dòng)，輸入滾輪與滑軌各材料的材料彈塑性曲線，其中材料彈塑性曲線為在所述材料彈塑性曲線的預(yù)定段選取多個(gè)特征點(diǎn)來表述材料彈塑性曲線；

步驟二：建立滾輪與滑軌緣條接觸對(duì)

根據(jù)滾輪與滑軌結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，把所有可能的接觸范圍均建立接觸對(duì)；

步驟三：輸入幾何非線性條件限制

當(dāng)滾輪與滑軌結(jié)構(gòu)的參數(shù)超過預(yù)定值時(shí)，幾何非線性條件必須輸入；

步驟四：滾輪與滑軌的局部接觸區(qū)剖分為六面體網(wǎng)格，其他區(qū)域劃分為四面體網(wǎng)格

根據(jù)滾輪與滑軌結(jié)構(gòu)在傳力過程中三種非線性耦合且應(yīng)力梯度很大，理想接觸收斂結(jié)果對(duì)網(wǎng)格依賴度高，對(duì)滑軌與滾輪局部接觸區(qū)域網(wǎng)格單元類型采用一階六面體單元，對(duì)于其他區(qū)域四面體網(wǎng)格劃分；

其中所述三種非線性為材料非線性、接觸非線性、幾何非線性；

步驟五：選擇迭代求解器進(jìn)行非線性求解

根據(jù)三種非線性耦合作用過程，應(yīng)力求解為反復(fù)迭代的過程，選用迭代求解器進(jìn)行求解。

進(jìn)一步地，所述預(yù)定段為材料彈塑性曲線的彎曲段。

進(jìn)一步地，所述接觸對(duì)的接觸類型為帶有罰函數(shù)的有摩擦接觸對(duì)。

進(jìn)一步地，所述參數(shù)包括滾輪滑軌結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)角、撓度和應(yīng)變值。

進(jìn)一步地，所述預(yù)定值為所述轉(zhuǎn)動(dòng)角超過10％，所述撓度大于0.1，所述應(yīng)變值大于2％。

進(jìn)一步地，求解過程采用的是Newton-raphson求解器。

本發(fā)明的計(jì)算增生裝置滾輪接觸力的方法充分考慮了滾輪與滑結(jié)構(gòu)的材料非線性、接觸非線性以及幾何非線性，并對(duì)傳載進(jìn)行三維實(shí)體進(jìn)行超靜定分析，真實(shí)模擬了結(jié)構(gòu)剛度，精確獲取滾輪載荷大小，克服傳統(tǒng)雙支點(diǎn)靜定直梁剛體靜力學(xué)簡(jiǎn)化不精準(zhǔn)的缺點(diǎn)，具有精度高、可縮短研制周期、降低成本等。

附圖說明

此處的附圖被并入說明書中并構(gòu)成本說明書的一部分，示出了符合本發(fā)明的實(shí)施例，并與說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。

圖1為現(xiàn)有技術(shù)的滾輪滑軌接觸示意圖。

圖2為現(xiàn)有技術(shù)的雙支點(diǎn)直梁靜定結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3本發(fā)明一實(shí)施例的材料塑性應(yīng)力應(yīng)變曲線示意圖。

圖4本發(fā)明一實(shí)施例的某型機(jī)拉桿連動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖。

圖5本發(fā)明一實(shí)施例的滾輪滑軌接觸仿真示意圖。

圖6本發(fā)明一實(shí)施例的滾輪滑軌接觸網(wǎng)格劃分示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明實(shí)施的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行更加詳細(xì)的描述。在附圖中，自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。下面通過參考附圖描述的實(shí)施例是示例型的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造型勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“中心”、“縱向”、“橫向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制。

如圖4所示為某型民機(jī)用的滾輪與滑軌運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，滑輪架載荷通過滾輪組傳遞給滑軌，本實(shí)施例中的滾輪數(shù)量及量級(jí)均較現(xiàn)有技術(shù)有所增長(zhǎng)，因此現(xiàn)有技術(shù)的方法已不是適合進(jìn)行計(jì)算。

本發(fā)明的計(jì)算增生裝置滾輪接觸力的方法采用非線性有限元法，可用于Ansys、Abaqus等有限元軟件，其具體包括如下步驟：

步驟1：首先輸入材料彈塑性曲線(材料彈塑性曲線示例見圖3)，其中材料即包括滾輪，又包括滑軌，之后建立滾輪與滑軌機(jī)構(gòu)的彈塑性模型；

由于滾輪滑軌結(jié)構(gòu)的局部產(chǎn)生塑形流動(dòng)，輸入材料彈塑性曲線，為了準(zhǔn)確模擬材料彈塑形曲線，故本發(fā)明在滾輪與滑軌結(jié)構(gòu)的材料彈塑性曲線中的CD段(圖3中所示的材料彈塑性曲線0C段為直線、CD段為曲線)選取適當(dāng)個(gè)數(shù)的多個(gè)特征點(diǎn)，特征點(diǎn)的選取密度與曲線的曲率有關(guān)，相鄰特征點(diǎn)之間的材料本構(gòu)為線性關(guān)系。

材料本構(gòu)即應(yīng)力張量與應(yīng)變張量的關(guān)系，一般地，指將描述連續(xù)介質(zhì)變形的參量與描述內(nèi)力的參量聯(lián)系起來的一組關(guān)系式，又稱本構(gòu)方程。本質(zhì)上說，就是物理關(guān)系，它是結(jié)構(gòu)或者材料的宏觀力學(xué)性能的綜合反映。為了確定物體在外力作用下的響應(yīng)，必須知道構(gòu)成物體的材料所適用的本構(gòu)關(guān)系。

步驟2：建立滾輪與滑軌緣條接觸對(duì)

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，把所有可能的接觸范圍均建立接觸，其中接觸類型為小滑移的帶有罰函數(shù)的有摩擦接觸對(duì)；

步驟3：輸入幾何非線性條件限制

當(dāng)滾輪滑軌結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)角超過10％，撓度大于0.1，應(yīng)變值大于2％時(shí)，幾何非線性條件則必須考慮并輸入；

步驟4：滾輪與滑軌的局部接觸區(qū)剖分為六面體網(wǎng)格，其他區(qū)域劃分為四面體網(wǎng)格

由于傳力過程中三類非線性(三類非線性即為材料非線性、接觸非線性、幾何非線性)耦合且應(yīng)力梯度很大，理想接觸收斂結(jié)果對(duì)網(wǎng)格依賴度很高，對(duì)滑軌與滾輪局部接觸區(qū)域網(wǎng)格單元類型采用一階六面體單元，對(duì)于其他區(qū)域四面體網(wǎng)格劃分；

步驟5：選擇迭代求解器進(jìn)行非線性求解

鑒于三種非線性耦合作用，應(yīng)力求解是反復(fù)迭代的過程，而本發(fā)明采用的Newton-ruphson作為一種分段線性化的求解方法，計(jì)算程序簡(jiǎn)單，迭代容易實(shí)現(xiàn)，對(duì)于硬化不顯著的材料采用割線剛度，保證較快的收斂于精度應(yīng)力解。

由于本發(fā)明的計(jì)算增生裝置滾輪接觸力的方法在分析中考慮并結(jié)合了三種非線性影響，即材料非線性、接觸非線性和幾何非線性，并對(duì)傳載過程進(jìn)行三維實(shí)體進(jìn)行超靜定分析，可獲得較精確的分析結(jié)果。而上述的所謂材料非線性是說隨著材料的塑形流動(dòng)的產(chǎn)生，滾輪載荷力重新分配，接觸非線性是接觸力的大小不同，接觸狀態(tài)時(shí)刻發(fā)生變化，如接觸面大小、力的大小，以及幾何非線性指的是局部接觸區(qū)大應(yīng)變出現(xiàn)，通過采用三維實(shí)體計(jì)算分析可精確得出滾輪載荷，真實(shí)模擬了結(jié)構(gòu)剛度，精確獲取滾輪載荷大小。

如圖4所示為本發(fā)明應(yīng)用于某型飛機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，圖中10為滑輪架，20為滾輪組，滑輪架載荷通過滾輪組傳遞給滑軌，圖4中滾輪載荷分配受三類非線性影響，為超靜定結(jié)構(gòu)，為使本發(fā)明的計(jì)算增生裝置滾輪接觸力的方法的優(yōu)點(diǎn)更加明顯，本實(shí)施例中還列舉了常用方法中的工程直梁法所計(jì)算的結(jié)果以便進(jìn)行對(duì)比。

采用方法一(即本發(fā)明的計(jì)算增生裝置滾輪接觸力的方法)：非線性有限元分析法，如圖6所示，圖中1、2為次承力滾輪，3、4為主承力滾輪，5、6為邊側(cè)滾輪。

滑輪架滾輪承擔(dān)傳遞載荷的作用，分析中建立滑軌與滾輪的帶有摩擦的接觸對(duì)，并輸入材料塑形數(shù)據(jù)，見表1。

表1 滾輪滑軌材料塑性常數(shù)

分析中由于三種非線性耦合且應(yīng)力梯度很大，理想接觸收斂結(jié)果對(duì)網(wǎng)格依賴度很高，對(duì)滑軌與滾輪局部接觸區(qū)域網(wǎng)格剖分時(shí)采用結(jié)構(gòu)化剖分技術(shù)，單元類型采用一階六面體完全積分單元，對(duì)于非接觸區(qū)域采用一次四面體單元C3D4進(jìn)行網(wǎng)格剖分。

通過非線性三維實(shí)體計(jì)算分析得出滾輪載荷，見表2。

方法二：工程直梁法

如圖5所示，在方法二：工程直梁法或剛體靜力學(xué)方法中，將圖中的1^#、2^#、3^#、4^#、5^#、6^#滾輪合并為第一組滾輪，將11^#、12^#、13^#、14^#滾輪合并為第二組滾輪，采用靜定方法計(jì)算得出兩支點(diǎn)反力P₁、P₂，利用平均方法得到各滾輪載荷大小。

表2 非線性有限元法與工程直梁法計(jì)算滾輪載荷大小比較

由表2可以看出，本發(fā)明的計(jì)算增生裝置滾輪接觸力的方法(即方法一)可以準(zhǔn)確得到滾輪組中每個(gè)滾輪的載荷大小，工程直梁法(方法二)比本發(fā)明的計(jì)算增生裝置滾輪接觸力的方法(方法一)保守8.6％—23.4％不等，分析方法二滾輪載荷量級(jí)大，致使結(jié)構(gòu)重量增加約15％，也就是表面方法二沒有方法一計(jì)算的更加精確。

本發(fā)明的計(jì)算增生裝置滾輪接觸力的方法采用非線性有限元方法，通過構(gòu)建三維實(shí)體進(jìn)行分析，充分考慮結(jié)構(gòu)非線性準(zhǔn)確對(duì)滾輪載荷分配進(jìn)行分析，其具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1)材料非線性準(zhǔn)確描述材料塑形流動(dòng)過程，由于塑形流動(dòng)引起滾輪載荷的重分配現(xiàn)象，進(jìn)行準(zhǔn)確表征；

2)依據(jù)滾輪滑軌接觸狀態(tài)的變化，準(zhǔn)確獲取滾輪載荷大??；

3)考慮局部大應(yīng)變對(duì)滾輪載荷分配的影響；

4)采用三維實(shí)體超靜定分析，真實(shí)模擬了結(jié)構(gòu)剛度，精確獲取滾輪載荷大??；

5)克服了雙支點(diǎn)支梁法采用靜定假設(shè)和平均分配法具有結(jié)果不精準(zhǔn)的缺點(diǎn)。

6)縮短了研制周期，降低了研制成本。

以上所述，僅為本發(fā)明的最優(yōu)具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以所述權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。