一种计算增生装置滚轮接触力的方法与流程

本发明属于结构强度分析技术领域，尤其涉及一种计算增生装置滚轮接触力的方法。

背景技术：

随着现代飞机飞行性能的提高，高升力增生装置广泛采用，其中运动机构作为关键承力件，广泛采用滚轮滑轨接触形式进行集中载荷传递，由于滚轮数目多，传力大小受局部结构刚度影响，是典型的静不定结构；且滚轮载荷量级大，接触部位受力复杂，接触非线性、材料非线性、几何非线性等问题高度交织。如图1所示，图中所示的滚轮滑轨结构采用了两对滚轮，即大滚轮1’和小滚轮2’为一对，另一对大滚轮3’和小滚轮4’为一对，均与滑轨5’接触，其中1’和3’滚轮为主承力滚轮，2’和4’滚轮为次承力滚轮，且滑轨曲率较大，但是随着滚轮载荷量级的增大，接触部位受力更加复杂，现亟需一种新的分析方法对载荷分配大小进行准确模拟，这成为结构强度分析的重要内容。

关于运动机构滚轮载荷分析方法，目前主要是工程计算方法，工程计算方法将静不定机构简化为静定双支点直梁，如图2所示，图2中所示的工程直梁静定结构是将图1中所示的滚轮滑轨结构进行滚轮载荷分配得到的，滚轮载荷大小P₁＝Pa/b，P₂＝Pl/b，且不考虑结构刚度、结构非线性(材料非线性、接触非线性、几何非线性)对载荷分配的影响，不能准确对滚轮载荷分配进行表征。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种计算增生装置滚轮接触力的方法，解决目前的计算几何形状复杂、运动副众多的高度静不定运动操纵机构滚轮力方法不准确的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种计算增生装置滚轮接触力的方法，所述计算增生装置滚轮接触力的方法采用非线性有限元分析方法，包括

步骤一：根据滚轮与滑轨结构局部会产生塑形流动，输入滚轮与滑轨各材料的材料弹塑性曲线，其中材料弹塑性曲线为在所述材料弹塑性曲线的预定段选取多个特征点来表述材料弹塑性曲线；

步骤二：建立滚轮与滑轨缘条接触对

根据滚轮与滑轨结构的受力状态，把所有可能的接触范围均建立接触对；

步骤三：输入几何非线性条件限制

当滚轮与滑轨结构的参数超过预定值时，几何非线性条件必须输入；

步骤四：滚轮与滑轨的局部接触区剖分为六面体网格，其他区域划分为四面体网格

根据滚轮与滑轨结构在传力过程中三种非线性耦合且应力梯度很大，理想接触收敛结果对网格依赖度高，对滑轨与滚轮局部接触区域网格单元类型采用一阶六面体单元，对于其他区域四面体网格划分；

其中所述三种非线性为材料非线性、接触非线性、几何非线性；

步骤五：选择迭代求解器进行非线性求解

根据三种非线性耦合作用过程，应力求解为反复迭代的过程，选用迭代求解器进行求解。

进一步地，所述预定段为材料弹塑性曲线的弯曲段。

进一步地，所述接触对的接触类型为带有罚函数的有摩擦接触对。

进一步地，所述参数包括滚轮滑轨结构的转动角、挠度和应变值。

进一步地，所述预定值为所述转动角超过10％，所述挠度大于0.1，所述应变值大于2％。

进一步地，求解过程采用的是Newton-raphson求解器。

本发明的计算增生装置滚轮接触力的方法充分考虑了滚轮与滑结构的材料非线性、接触非线性以及几何非线性，并对传载进行三维实体进行超静定分析，真实模拟了结构刚度，精确获取滚轮载荷大小，克服传统双支点静定直梁刚体静力学简化不精准的缺点，具有精度高、可缩短研制周期、降低成本等。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1为现有技术的滚轮滑轨接触示意图。

图2为现有技术的双支点直梁静定结构示意图。

图3本发明一实施例的材料塑性应力应变曲线示意图。

图4本发明一实施例的某型机拉杆连动机构示意图。

图5本发明一实施例的滚轮滑轨接触仿真示意图。

图6本发明一实施例的滚轮滑轨接触网格划分示意图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例型的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造型劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图4所示为某型民机用的滚轮与滑轨运动机构，滑轮架载荷通过滚轮组传递给滑轨，本实施例中的滚轮数量及量级均较现有技术有所增长，因此现有技术的方法已不是适合进行计算。

本发明的计算增生装置滚轮接触力的方法采用非线性有限元法，可用于Ansys、Abaqus等有限元软件，其具体包括如下步骤：

步骤1：首先输入材料弹塑性曲线(材料弹塑性曲线示例见图3)，其中材料即包括滚轮，又包括滑轨，之后建立滚轮与滑轨机构的弹塑性模型；

由于滚轮滑轨结构的局部产生塑形流动，输入材料弹塑性曲线，为了准确模拟材料弹塑形曲线，故本发明在滚轮与滑轨结构的材料弹塑性曲线中的CD段(图3中所示的材料弹塑性曲线0C段为直线、CD段为曲线)选取适当个数的多个特征点，特征点的选取密度与曲线的曲率有关，相邻特征点之间的材料本构为线性关系。

材料本构即应力张量与应变张量的关系，一般地，指将描述连续介质变形的参量与描述内力的参量联系起来的一组关系式，又称本构方程。本质上说，就是物理关系，它是结构或者材料的宏观力学性能的综合反映。为了确定物体在外力作用下的响应，必须知道构成物体的材料所适用的本构关系。

步骤2：建立滚轮与滑轨缘条接触对

根据结构受力状态，把所有可能的接触范围均建立接触，其中接触类型为小滑移的带有罚函数的有摩擦接触对；

步骤3：输入几何非线性条件限制

当滚轮滑轨结构转动角超过10％，挠度大于0.1，应变值大于2％时，几何非线性条件则必须考虑并输入；

步骤4：滚轮与滑轨的局部接触区剖分为六面体网格，其他区域划分为四面体网格

由于传力过程中三类非线性(三类非线性即为材料非线性、接触非线性、几何非线性)耦合且应力梯度很大，理想接触收敛结果对网格依赖度很高，对滑轨与滚轮局部接触区域网格单元类型采用一阶六面体单元，对于其他区域四面体网格划分；

步骤5：选择迭代求解器进行非线性求解

鉴于三种非线性耦合作用，应力求解是反复迭代的过程，而本发明采用的Newton-ruphson作为一种分段线性化的求解方法，计算程序简单，迭代容易实现，对于硬化不显著的材料采用割线刚度，保证较快的收敛于精度应力解。

由于本发明的计算增生装置滚轮接触力的方法在分析中考虑并结合了三种非线性影响，即材料非线性、接触非线性和几何非线性，并对传载过程进行三维实体进行超静定分析，可获得较精确的分析结果。而上述的所谓材料非线性是说随着材料的塑形流动的产生，滚轮载荷力重新分配，接触非线性是接触力的大小不同，接触状态时刻发生变化，如接触面大小、力的大小，以及几何非线性指的是局部接触区大应变出现，通过采用三维实体计算分析可精确得出滚轮载荷，真实模拟了结构刚度，精确获取滚轮载荷大小。

如图4所示为本发明应用于某型飞机运动机构，图中10为滑轮架，20为滚轮组，滑轮架载荷通过滚轮组传递给滑轨，图4中滚轮载荷分配受三类非线性影响，为超静定结构，为使本发明的计算增生装置滚轮接触力的方法的优点更加明显，本实施例中还列举了常用方法中的工程直梁法所计算的结果以便进行对比。

采用方法一(即本发明的计算增生装置滚轮接触力的方法)：非线性有限元分析法，如图6所示，图中1、2为次承力滚轮，3、4为主承力滚轮，5、6为边侧滚轮。

滑轮架滚轮承担传递载荷的作用，分析中建立滑轨与滚轮的带有摩擦的接触对，并输入材料塑形数据，见表1。

表1 滚轮滑轨材料塑性常数

分析中由于三种非线性耦合且应力梯度很大，理想接触收敛结果对网格依赖度很高，对滑轨与滚轮局部接触区域网格剖分时采用结构化剖分技术，单元类型采用一阶六面体完全积分单元，对于非接触区域采用一次四面体单元C3D4进行网格剖分。

通过非线性三维实体计算分析得出滚轮载荷，见表2。

方法二：工程直梁法

如图5所示，在方法二：工程直梁法或刚体静力学方法中，将图中的1^#、2^#、3^#、4^#、5^#、6^#滚轮合并为第一组滚轮，将11^#、12^#、13^#、14^#滚轮合并为第二组滚轮，采用静定方法计算得出两支点反力P₁、P₂，利用平均方法得到各滚轮载荷大小。

表2 非线性有限元法与工程直梁法计算滚轮载荷大小比较

由表2可以看出，本发明的计算增生装置滚轮接触力的方法(即方法一)可以准确得到滚轮组中每个滚轮的载荷大小，工程直梁法(方法二)比本发明的计算增生装置滚轮接触力的方法(方法一)保守8.6％—23.4％不等，分析方法二滚轮载荷量级大，致使结构重量增加约15％，也就是表面方法二没有方法一计算的更加精确。

本发明的计算增生装置滚轮接触力的方法采用非线性有限元方法，通过构建三维实体进行分析，充分考虑结构非线性准确对滚轮载荷分配进行分析，其具有如下优点：

1)材料非线性准确描述材料塑形流动过程，由于塑形流动引起滚轮载荷的重分配现象，进行准确表征；

2)依据滚轮滑轨接触状态的变化，准确获取滚轮载荷大小；

3)考虑局部大应变对滚轮载荷分配的影响；

4)采用三维实体超静定分析，真实模拟了结构刚度，精确获取滚轮载荷大小；

5)克服了双支点支梁法采用静定假设和平均分配法具有结果不精准的缺点。

6)缩短了研制周期，降低了研制成本。

以上所述，仅为本发明的最优具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。