航空连接结构的参数化有限元分析方法研究

摘要

在飞行器结构中，铆钉或螺钉等机械紧固连接件是典型的关键性部件，具有连接各重要部件和传递载荷的作用。在复杂载荷和环境因素作用下，结构的裂纹大多产生在钉孔边上，有的裂纹还是很关键且致命的。因此，关注钉孔处的应力水平，将其有效地控制在允许的范围内，从而减小裂纹发生的几率，一直是飞行器设计者关心的问题。本文应用弹塑性有限元数值计算及参数化设计方法，对飞行器典型连接结构的有限元仿真计算方法进行了参数化设计与研究，并给出了典型实例分析。 参数化的设计方法是非常适于飞行器设计的方法。在飞行器结构设计和结构强度的校核过程中，往往需要反复进行“设计-建模-分析-修改设计-再建模-再分析”的过程，但当前有限元分析软件系统都存在前后处理过程复杂、烦琐、对软件使用者要求高等问题。如果按照现有有限元分析软件所规定的步骤，逐一对每次修改重新建模分析，在有限元建模和处理结果时存在着大量的重复性工作，而且出错机率也会相应增加，影响到设计分析的效率和质量。采用参数化的设计，可以克服以上的缺点，将整个设计过程存储于参数化程序中，有利于产品的快速开发和优化。 本文基于ANSYS平台开发了参数化的连接结构有限元仿真系统。该计算系统将参数化技术引入连接结构的有限元计算，初步实现了有限元建模、计算和后处理的全程参数化；借助功能强大的通用有限元软件ANSYS的参数化设计语言APDL与界面设计语言UIDL，完成参数化建模的宏文件设计与参数输入的界面设计及参数传递，实现了对ANSYS的二次开发，从而形成专业化、参数化的连接结构有限元仿真设计系统。 全文共分七章，第一章介绍了本文研究的应用背景和意义；第二章介绍了完成连接结构有限元计算的弹塑性有限元方法；第三章介绍了参数化有限元的概念与本文应用参数化有限元进行系统开发的方法；第四章介绍了实现系统所依赖的平台和开发工具。第五章介绍了基于APDL语言和UIDL语言的航空连接结构有限元仿真系统的实现过程。第六章结合工程实例介绍了该模板的使用方法。在第七章，作者对全文进行了总结，并对未来的研究工作进行了展望。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1立题背景及研究意义

1.2研究方法

1.3主要研究工作

第二章弹塑性有限元基本原理

2.1引言

2.2非线性问题的描述

2.2.1材料非线性

2.2.2几何非线性

2.3非线性问题的有限元解法

2.3.1求解材料非线性-增量的初应力法

2.3.2求解几何非线性

2.4本章小结

第三章参数化有限元

3.1参数化技术

3.2参数化有限元

3.2.1概述

3.2.2参数化有限元建模

3.3.3后处理的参数化

3.3本章小结

第四章有限元软件ANSYS若干技术介绍

4.1引言

4.2前后置处理及求解器

4.2.1前处理模块介绍

4.2.2求解器模块介绍

4.2.3后处理模块介绍

4.3子模型技术介绍

4.4 ANSYS二次开发特性

4.4.1参数化程序设计语言APDL的应用

4.4.2用户界面设计语言UIDL的应用

4.4.3用户程序特性UPFs

4.5本章小结

第五章基于ANSYS二次开发的连接结构仿真

5.1引言

5.2前处理模块

5.3求解器模块

5.4后处理模块

5.5本章小结

第六章工程应用实例

6.1实例描述

6.2有限元参数的确定

6.2.1单元选取

6.2.2实常数的确定

6.2.3材料参数

6.3参数化建模

6.4模型求解

6.4.1总体模型求解

6.4.2细节模型求解

6.5后处理

6.6模型验证

6.6.1接触模型介绍

6.6.2结果对比

6.6.3结论

6.7本章小结

第七章总结与展望

7.1主要研究工作总结及结论

7.2研究展望

附录

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

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