航空操纵用钢索的三维有限元实体建模.pdf

装备制造技术 2023 年第 7 期0引 言航空操纵用钢索是飞行器中的重要柔性传力机构，航空操纵钢索的主体部分是结构为 7伊7 或 7伊19的钢丝绳。史珂等1分析了某教练机操纵钢索的失效原因，不同磨损形式下的微观磨损方向存在一定的差异，失效原因与钢丝绳的多轴高频振动有关。赵安家等2针对某型飞机连续发生钢索断裂的问题，通过钢索的结构和工作特点分析了磨损原因，并提出了相应的维护检测方法和预防措施。姚震等3基于绝对节点坐标法，采用变形的斜率为坐标描述钢索单元来神载荷作用下的有限扭转变形，建立 Simulink 模型进行轴向载荷下钢索的变形特性的有限元计算。戴珊珊4采用 ANSYS 进行了结构为 6伊19IWS 的右同向捻和右交互捻的应力分析，并分析捻向组合的影响，交互捻钢丝绳应力水平及变化幅度低于同向捻钢丝绳。周洁等5采用 Workbench 进行结构为 1伊7 钢丝绳的捻距对钢丝绳拉伸载荷下的应力状态分析，整绳破断拉力随着捻距的增大呈上升趋势。刘玉辉等6基于钢丝绳的空间螺旋结构及微分几何理论建立了单捻 1伊37I原WS 钢丝绳三维实体模型，采用 ANSYS Workbench 进行钢丝绳股内应力仿真及钢丝绳特性分析。以上研究工作未考虑钢丝绳内部结构形式的变化及周期性规律与捻距的关系。根据结构为 7伊19 的航空操纵用钢索内钢丝的结构特点，选择了可代表所有钢丝的最小代表性体积单元，为了模拟相邻钢丝之间的接触形式并全部采用六面体单元进行网格划分，将钢丝代表性体积单元再进行合理分割，建立了航空操纵钢索的三维有限元实体模型，并进行了拉伸应力状态分析。1钢丝代表性体积单元以结构为 7伊19 的航空操纵用钢索为研究对象，钢丝绳共有 7 股组成，其中 1 个芯股和 6 个面股，每股有 19 根钢丝，其中 1 根芯丝、6 根中间丝和 12 根面丝，如图 1 所示，因此将所有钢丝分成 6 类，即芯股芯丝、芯股中丝、芯股面丝、面股芯丝、面股中丝和面股面丝，图中分别采用不同颜色进行了标记。航空操纵用钢索的钢丝绳一般采用交互捻的方式，即股和绳采用不同的捻制方向，以股内钢丝右捻向、各股合绳左捻向来建立钢丝绳模型。航空操纵用钢索的三维有限元实体建模马惠珠1，李宗奇2，卞智慧1，邓振伟1（1.江阴市建设工程质量检测中心有限公司，江苏 江阴 214400；2.武汉科技大学，湖北 武汉 430081）摘要：航空操纵用钢索作为柔性传力机构，可以实现飞行器的尾翼、襟翼、副翼等部件的控制。为了分析钢索的控制特性及钢丝绳内应力分布情况，进行航空操纵用钢索的三维有限元建模研究，以结构为 719 的航空操纵用钢索为研究对象，建立 719 交互捻航空操纵用钢丝绳的三维有限元实体模型，根据航空操纵用钢索内所有钢丝的内部结构特点和周期性特征，选择了钢丝代表性体积单元，并以此为基础采用 ANSYS 建立一个捻距内的钢丝绳实体有限元模型，采用六面体单元进行三维有限元实体模型的网格划分，分析航空操纵钢索内部索股之间的接触形式，选取 1/6 捻距内的航空操纵用钢索的三维有限元实体模型进行拉伸应力状态分析，有限元模型计算结果与钢丝绳拉伸试验数据对比表明建立的航空操纵钢索的三维有限元实体模型进行仿真分析的有效性。关键词：钢索；钢丝绳；有限元建模；网格划分；应力状态中图分类号：TG356.4文献标志码：A文章编号：1672-545X（2023）07-0071-03收稿日期：2023-02-10第一作者：马惠珠（1981-），女，江苏江阴人，硕士，高级工程师，研究方向：材料与结构性能检测.图 1钢丝绳的横截面形式71Equipment Manufacturing Technology No.7袁2023根据组成航空操纵用钢索的钢丝结构特点和周期性特征，选取了钢丝代表性体积单元，如图 2 所示，圆形的顶面和底面均垂直与钢丝绳轴向，钢丝侧面根据捻向和捻制角采用 B 样条曲线，则钢丝代表性体积单元的变量包括顶面圆心坐标（x1、y1、z1）、底面圆心坐标（x2、y2、z2）、顶面相对底面的旋转角度 琢，考虑到相邻钢丝之间的接触情况，将钢丝按照周向六等分，同时为了实体模型均采用六面体网格划分，将 1/6 扇形再分割为 1 个三角形和 1 个四边形。在进行网格划分时，设置 3 个参数 N1、N2、N3进行单元数量控制，N1为顶面或底面中四边形的径向单元数量，如图中白色线条所示，N2为顶面或底面中三角线及四边形的周向单元数量，N3钢丝轴向的单元数量。以参数 N1-N2-N3来描述网格划分设置，不同疏密程度的钢丝代表性体积单元的单元划分情况分别如图 3 所示，其中2-2-10 的六面体单元数量为 420，2-4-15 和 3-6-20的单元数量分别为 1800 和 5400，在后续的分析中采用图 3（b）所示的网格划分。2三维有限元实体模型以钢丝代表性体积单元来建立交互捻钢丝绳的三维实体有限元模型，将图 1 所示的结构为 7伊19 的133 个钢丝截面，按股内钢丝右捻向、各股合绳左捻向的交互捻形式，建立 133 个钢丝代表性体积单元，如图 4 所示，每个单元由 12 个体组成，即 1596 个实体模型。为了描述钢丝及股的捻制方向，以数字 16和不同的颜色来标记面股，并将图 1 所示截面中与面股接触的芯股面丝以相同颜色进行标记，由图 4 可知，面股 16 沿着中芯股顺时针旋转，中芯股的面丝和中间丝沿着芯丝逆时针旋转，面股中的面丝和中间丝也沿着其芯丝逆时针旋转。将图 4 所示的有限元模型沿着钢丝绳轴向继续建立模型，将钢丝绳 1/6 捻距的模型采用 5 个代表性体积单元，则 2 个钢丝代表性体积单元、3 个代表性体积单元、5 个代表性体积单元的有限元模型分别如图 5（a）（b）（c）所示，面股继续沿着中芯股顺时针旋转，中芯股的面丝和中间丝沿着芯丝逆时针旋转，面股中的面丝和中间丝也继续沿着其芯丝逆时针旋转。（a）2-2-10（b）2-4-15（c）3-6-20图 3钢丝代表性体积单元的网格划分图 5不同代表性体积单元的有限元模型截面形式（c）5 个代表性体积单元（a）2 个代表性体积单元（b）3 个代表性体积单元5643211234345626511图 4基于钢丝代表性体积单元的有限元模型214356图 2钢丝代表性体积单元N2N1N372装备制造技术 2023 年第 7 期将建立的钢丝绳 1/6 捻距的有限元模型采用 N1-N2-N3为 2-4-15 的设置进行网格划分，如图 6 所示，所建立模型中的六面体单元数量为 1197000。将建立的钢丝绳有限元模型继续沿着轴向延伸，建立 1 个捻距的钢丝绳有限元实体模型如图 7 所示，截面 A、B、C 分别如图 8 所示，各股及钢丝的走向与交互捻结构形式相符。3轴向拉伸有限元仿真分析由于航空操纵用钢索沿着轴向的周期性，同时所建立钢丝绳有限元实体模型的单元数量巨大，因此以1/6 捻距的有限元模型作为计算模型，采用 SOLID185进行六面体单元划分，单元模型的单元数量为 119.7万。钢丝的材料模型图 9 所示，其中芯股芯丝采用钢丝 1 的材料模型，芯股中间丝、芯股面丝和面股芯丝采用钢丝 2 的材料模型，面股中间丝和面股面丝采用钢丝 3 的材料模型。通过轴向位移的载荷形式进行钢丝绳拉伸应力状态分析，即约束模型中心丝的中间节点只做轴向移动，其中一个端面的轴向位移为 0，另一端面施加轴向位移来模拟拉伸过程。为了避免边界条件对计算结果的影响，截取了模型的一部分进行应力状态分析，不同应变状态的 Mises 等效应力云图如图 10 所示。当轴向应变为 0.01 时，与芯股接触的面股面丝应力最大，随着轴向应变的增加，钢丝逐渐进行塑性变形区域，呈现较大应力的钢丝也由面股和芯股的接触部位逐渐向面股和芯股内部扩展。计算应变为 0.010、0.014 和 0.018 的轴向力，并将有限元模型计算结果与钢丝绳拉伸的力-应变曲线对比，如图 11 所示，有限元计算结果与拉伸试验数据吻合良好，表明了建立的交互捻钢丝绳三维有限元实体模型的有效性。图 8有限元模型中不同位置的截面形式（a）截面 A（b）截面 B（c）截面 C564321123434562651（b）着=0.0141NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB=12TIME=30SEQV（AVG）DMX=.03521SMN=1226.41SMX=3003.991226.411621.432016.452411.462806.481423.921818.942213.952608.973003.99图 6钢丝绳 1/6 捻距的有限元模型及网格划分（a）着=0.0101NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB=12TIME=30SEQV（AVG）DMX=.023279SMN=1048.99SMX=2656.591048.991406.231763.482120.722477.971227.611584.861942.12299.352656.59图 9钢丝的材料模型钢丝 1钢丝 2钢丝 33000250020001500100050000.00.51.01.52.0应变/%图 7钢丝绳的三维有限元实体模型CBA（下转第 95 页）73装备制造技术 2023 年第 7 期4结 论（1）以结构为 7伊19 的航空操纵用钢索为研究对象，以钢丝代表性体积单元为基础，建立了交互捻钢丝绳的三维有限元实体模型。（2）根据钢丝代表性体积单元的参数化网格划分，进行 1/6 捻距钢丝绳有限元模型的拉伸应力状态，有限元模型计算结果与拉伸试验数据对比表明了建立的结构为 7伊19 交互捻钢丝绳三维有限元实体模型的有效性。参考文献：1 史珂，孙杰，张春雷，等.教练机操纵钢索失效分析J.金属制品，2015，41（3）：50-53.2 赵安家，施广生.飞机钢索失效原因及预防措施研究J.飞机设计，2019，39（2）：71-77.3 姚震.基于绝对节点坐标法的钢索建模及分析D.上海：上海交通大学，2018.4 戴珊珊.捻向组合对钢丝绳应力分布的影响分布J.矿山机械，2011，39（12）：40-43.5 周洁，周志嵩，姚利丽，等.不同捻距对钢丝绳力学性能的影响J.金属制品，2019，45（4）：6-9.6 刘玉辉，寇子明，吴娟，等.单捻钢丝绳股内钢丝应力分布研究J.矿山机械，2014，42（2）：864-868.图 11有限元计算结果与拉伸力-应变曲线对比力-应变曲线有限元计算8765432100.00.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0应变/%图 10不同轴向应变下的应力云图（c）着=0.0181NODAL SOLUTIONSTEP=1SUB=12TIME=50SEQV（AVG）DMX=.051169SMN=1065.46SMX=3086.971065.461514.681963.912413.132862.361290.071739.32188.522637.753086.97（上接第 73 页）3结 语针对新形势下传统的学术型研究生导师队伍建设模式与国家对研究生培养的需求导向出现的矛盾，以及目前研究生导师队伍建设中暴露的众多问题，提出建立聘、培、用、评“四位一体”导师队伍建设新模式，从究生导师分类遴选模式、导师能力提升策略、构建产学研联合培养模式、建立多元化导师考核评价机制四个方面进行综合改革，过程中特别注重学术型和专业型研究生培养目标的区别与联系，并将这种差异性与关联性贯穿于整个导师队伍建设，确保学术型和专业型研究生培养协调发展，兼顾两种学位培养模式相通之处，又彰显各自培养特性。“四位一体”导师队伍建设模式覆盖导师队伍建设全过程，四个环节形成有效的闭环管理，将导师队伍建设系统化、制度化，完善研究生培养机制，促进研究生培养质量和规模的协调发展。参考文献：1 张自强.切实加强导师队伍建设J.中国研究生，2020，194（11）：30-33.2 邓峰，侯延昭.研究生教育满意度评价中过程指标与结果指标的实证研究-以专业硕士和学术硕士实践能力培养模式差异为例J.研究生教育研究，2021，63（3）：35-42.3 刘筱茜.研究生思想政治教育工作遇到的问题及对策J.读与写：教育教学刊，2019（1）：1.4 顾少轩，祝振奇，王攀，等.关于材料类研究生导师队伍建设的几点思考J.教育教学论坛，2016，270（32）：19-20.5 张彦，白秀琴，李慧媛.学术型与专业型研究生教育的协同发展J.黑龙江教育（高教研究与评估），2018，1245（5）：66-68.6 李伟，刘津平，景静姝.新形势下研究生导师评价工作实践与思考J.林区教学，2021，93（8）：53-55.7 苟慎菊，王澎，程璐，等.青年研究生导师能力提升策略概述J.教育现代化，2020，7（18）：164-166.8 张国群，鲁萍.技术实践背景下专业学位研究生导师队伍建设模式探索J.科教文汇（中旬刊），2019，473（29）：6-7.9 崔传金，陈至坤，张瑞成.研究生导师团队的建设方法与实践研究J.大学教育，2015，62（8）：1-3.95