某飞机安全销试验夹具的仿真设计

近年来，随着 CAE技术的飞速发展，数值仿真方法已越来越多地应用到试验夹具的设计研究中。

试验夹具的设计水平直接关系到是否能快速、正确地进行试验. 夹具设计涉及几何、材料和复杂的接触摩擦等非线性问题，很难进行理论分析.E2]传统的夹具设计方法高度依赖经验，通过-轮又-轮收稿日期：2012-11.01 修回日期：2012-12-11基金项目：国家自然科学基金(11202098)；江苏拾青蓝工程”科技创新团队(1001.YPBI1001)作者简介：宗俊达(1987-)，男，江苏宜兴人，博士研究生，研究方向为复合材料结构在线降监测，(E-mail)zjddyx###yahoo.com.cn；姚卫星(1957-)，男，江苏南通人，教授，博导，博士，研究方向为飞行器综合设计技术、飞行器先进结构设计理论、飞行器结构疲劳和可靠性及复合材料结构设计，(E-mail)wxyao###nuaa.edu.cnhttp：//第3期 宗俊达，等：某飞机安全销试验夹具的仿真设计 25的试验来改进设计，设计周期长、设计试制费用高。

采用数值仿真方法，设计人员可以在设计过程中发现、解决问题，显著减少对设计经验的依赖，拓展创新空间，提高产品质量和-次投产成功率.[3-5]SATYANARAYANA等。 以球面-平面和平面。

平面接触为例，研究夹具与工件接触界面的边界条件设置对工件变形和接触力的影响；张雷雨等 利用 ANSYS分析夹具结构的强度、刚度和固有频率等，验证某型夹具设计的合理性；李连进等 用数值仿真方法模拟钢管空拔过程，研究拔制温度与拔制力之间的关系，为模具结构设计提供理论依据：程来等 利用有限元软件对某振动试验夹具进行模态分析和 PSD谱分析，得到夹具的动力特性；邹文俊等 。。仿真分析定位基准面的微小变形对定位产生的影响，并在此基础上优化夹具结构，最终确定高精密夹具设计的新方案。

本文针对我国某大型飞机襟翼安全销剪切试验夹具的设计要求，采用 MSC软件进行多体接触分析，对3种不同结构类型、尺寸参数以及材料的夹具设计方案进行仿真强度校核，从而高效、快捷地实现夹具设计目标。

1 分析对象在实际结构中，襟翼安全销位于内襟翼支臂前、后段的连接处，以双面剪切形式承受襟翼上的气动载荷传递过来的力，内襟翼支臂和安全销见图 1。

图 1 内襟 翼支臂和安全销Fig.1 Inner flap arm and safety pin安全销既要保证在正常服役期间的承载功能，又要保证在承受大于 1.05倍极限载荷时能顺利断离，不致损坏蒙皮和油箱.为验证安全销的极限承载能力，需要在精确监控条件下进行多件应急断离试验.这就要求试验夹具在保证单次试验顺利实施的基础上，还要能承受反复多次的使用.因此，安全销静力试验夹具必须保证有足够大的强度和刚度，确保每次试验具有完全相同的加载环境.此外，夹具的结构必须易于拆装，方便试验；为降低生产成本，工序应旧能简单且尽量避免使用过于昂贵的材料。

安全销静力试验夹具主要包括J'bftl夹具和内侧夹具，安全销应急断离试验加载示意见图2 . .. / 囊L-、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、、 、、、、、- - 图 2 安全销应急断离试验加载示意Fig.2 Loading schematic diagram of emergencybreaking test for safety pin2 夹具设计按照设计要求并根据力学分析和以往的设计经验，初步确定 3种夹具设计方案，见表 1.南于夹具顶部加载区并非受力危险区域，建模时予以省略。

表 1 安全销剪切试验夹具的3种设计方案Tab.1 Three design schemes of shear test fixtures for safety pin， 万 l 23案 I Ⅱ I Ⅱ夹 豳口l 潮 豳 霞 豳自麓瞄鼬目-- N- 笺I躐具模 /型 I. - 百 - --6 材 TC4 65Mn65Mn弹簧钢 65Mn弹簧钢料 钛合金 弹簧铜参 no n凸 n22 mm。

Ⅱb8 mm数 10 nlm 20 mil b23 Iilil注：。为外侧夹具壁厚，b为内侧夹具壁厚。

26 计 算 机 辅 助 工 程 2013丘2.1 方案 1夹具采用左右对称的双面剪切形式.安全销两头分别连接端帽并采用螺栓固定，防止试验过程中销子沿轴向产生位移.其中，方案 I的材料选用具有良好综合力学性能的TC4钛合金，方案 II选用弹性模量更高的65Mn弹簧钢。

2.2 方案 2在方案 1的基础上，增强夹具沿销子轴向的位移约束：增加外侧夹具宽度并在两侧加装 L形扣，使内、外夹具在变形时无法分离；内侧夹具在顶部封口，确保其不会沿轴向严重变形.夹具的底座厚度比方案 l略有增加。

2.3 方案 3在方案 1的基础上，扩大孔径并加入铜合金衬套，用衬套的损毁来保护夹具.将内侧夹具位于对称面两侧的承载区合并为-整块，在内、外侧夹具之间加入铁质垫圈。

3 仿真分析为验证设计方案是否满足设计要求并最终确定设计结果，采用 MSC软件进行数值仿真.考虑到试件可能产生较大变形，材料真实本构关系并非线性以及试件与夹具之间存在接触等-系列非线性问题，本文选择 MSC Nastran SOL 600拈进行隐式非线性分析。

3.1 有限元模型根据结构的对称性，取-半进行有限元建模；外侧夹具顶部采用 RBE 2单元进行模拟加载；安全销内部的螺栓起轴向固定作用，可用弹簧元代替；采用HEX 8单元进行网格划分。

3.2 材料夹具材料的本构关系采用双线性强化模型，材料参数见表 2。

表 2 材料参数Tab.2 Material parameters材料 弹性模量 E/MPa 泊松比 强化斜率 K/MPa 屈服 强度/MPa 失效强度/MPaTC4钛合金 111 000 0.34 607.8 922 98465Mn弹簧钢 206 000 0.28 2 628.1 800 1 0003.3 接触、约束和载荷由于安全销、试验夹具、衬套和垫圈等的刚度近似，在结构变形中可能出现相互接触的表面单元均被定义为可变形接触体.摩擦问题非常复杂，本文中摩擦造成的影响较小，为简化计算，采用在许多加工工艺分析和其他有摩擦的实际问题中广泛应用的库仑摩擦模型.TC4钛合金的摩擦因数取 0.40，65Mn弹簧钢的摩擦因数取0.15.由于模型基于结构对称性建立，夹具、安全销和衬套等位于对称面上的节点必须约束沿销子轴向的平动自由度以及与之垂直的另外两向的转动自由度，而销内弹簧元仅约束沿销子轴向的平动自由度.对内侧夹具底部单元的垂向位移进行约束，在模型中为 向；对外侧夹具顶部MPC主动节点的转动自由度加以约束，并在该节点处施加垂直向上的静态位移载荷。

3.4 结果和分析根据受力情况，当安全销被认为刚切断时，考察各型夹具的应力分布。

(1)在方案 1中，I型模型的高应力区主要位于孔边承载区以及孔边沿受力方向延伸至自由边界区域；此外，内侧夹具底座与夹具壁的连接处也有较高应力，最大应力出现在孔边处，为 1 190 MPa.I型模型 的危 险 区域 与之相 近，孑L边最 大应 力 达到l 090 MPa。

(2)在方案2中，I型模型的危险区域与方案 1大致相同，但内侧夹具底座与夹具壁连接处的应力明显降低，最大应力出现在孔边处，为 932 MPa.增加夹具壁厚度后，I型模型的应力危险区仅限于孑L边区域，最大应力为903 MPa。

(3)在方案3中，高应力区仍然集中在孔边，但应力分布 明显 比前 2种方案均匀，最大应力为799 MPa。

上述结果表明，直接接触挤压易导致夹具孔边受力不均，孔边承载区始终为应力最危险区域，而使用衬套可明显改善该处应力分布；孔边沿受力方向延伸至自由边界区域，主要承担安全销对夹具反作用力引起的剪切载荷.方案 1模型和方案 2(I)模型的夹具壁厚较薄，应力偏大，增加壁厚能有效增大承力面积，降低应力水平；内侧夹具底座与夹具壁连接处以剪切形式承担底座提供的约束反力，底座厚度过小时应力较大，增加底座厚度即可解决该问题。

结合表 2的材料参数可知，方案 1模型的最大28 计 算 机 辅 助 工 程 2013生Technol，2007，191(1-3)：260-264。

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