基于SolidWorks的跑道关闭指示装置结构设计仿真分析

一直以来，由于天气，事故等诸多原因，跑道关闭的情况时有发生。目前，跑道有两种关闭模式，一种是永久性关闭；另一种是临时关闭。对于需要永久性关闭的跑道，大部分机场的处理办法是在地面上标出“X”字形状的标记；而对于临时需要关闭的跑道，大部分机场目前只能依靠发布航行通告或利用停止排灯来通知飞行员跑道关闭与否，这样就可能导致飞机在规定时间内不能着陆，出现复飞、落错跑道等一系列的情况的发生。因此，适用于临时关闭跑道的指示装置的研发显得格外重要。该结构是可以折叠起来的机件，便于装卸。基于对指示装置可靠性的要求，文中运用快速有限元仿真软件SimulationWorks对其结构进行静态仿真分析，通过对不同方向的风力载荷的分析，为跑道关闭指示装置的设计提供了可靠的分析数据。

1.1 建模、分析工具的介绍

目前，大型通用有限元分析软件在汽车、航空、机械、材料等行业得到了广泛应用，其中最为著名的有：ANSYS，NASIRAN等。这些软件虽然功能强大，但都价格不菲。以ANSYS为例，在ANSYS环境下建模比较困难，而通过其他三维软件导入实体模型容易出现不兼容的问题；利用实体网格划分单元后，如果模型较大ANSYS分析速度比较缓慢；而且对工程师要求比较高。SolidWorks作为目前第一主流的三维机械CAD软件之一，其工程分析是通过SimulationPress或SimulationWorks进行的。SimulationPress适合于单个零件的工程分析，而SimulationWorks则适合于零部件或装配体产品的工程分析，其功能更为强大。文中是利用SimulationWork8来进行跑道指示装置的工程分析。SimulationWorks是完全整合在SolidWorks中设计分析系统的，提供压力、频率、约束、热量，和优化分析。为设计工程师在SolidWorks的环境下，提供比较完整的分析手段。凭借先进的快速有限元技术(FFE)，工程师能非常迅速地实现对大规模复杂设计的分析和验证，并且获得修正和优化设计所需的必要信息。分析的模型和结果与SolidWorks共享一个数据库，这意味着设计与分析数据将没有繁琐的双向转换操作，分析也与计量单无关。在几何模型上，可以直接定义载荷和边界条件，如同生成几何特征，设计的数据库也会相应地自动更新。计算结果也可以直观地显示在SolidWorks精确的设计模型上。这样的环境操作简单、节省时间，且硬盘空间资源要求很小。

1.2 分析方法的确定

指示装置的受力并不复杂，主要是根据分析结果的对比，为其结构设计提供可靠的依据。因此，确定其分析方案流程如图1所示。

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图1 分析方案流程

考虑到指示装置安装时的方便性及结构本身的特点，进行几何实体建模前，需对计算模型进行一些合理的简化，一些小的细节可不必在模型中体现，这并不影响分析所要求的精度，并且小的细节可能会影响到网格的划分。建模过程中，采用由下向上的方式，建立该指示装置的模型。该结构呈“X”字形，单臂长7000mm，宽240mm，单臂有l2节相同构件组成，中间为固定装置，两节之间的间距为500mm，如图2所示。

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图2 指示装置几何模型

在SimulationWorks中，设置其算例属性和单化属性，如表1所示。

表1 模型的算例属性及单位属性

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材料选取铝合金2024-T4，该材料的弹性模量E=72.4GPa，泊松比v=0.33，屈服极限σ=325MPa，密度p=2.78×103kg/m3。

网格越小精度越高，但随着网格的不断细化，应力的增长趋于缓慢，并向某定值靠近，由此可大致确定真实应力的取值。因此，在指示装置网格划分时，采用的是71.0863mm×3.55431mm的单元大小（默认设置），网格划分中等，共70515个节点，35348个单元，建立的有限元模型网格划分如图3所示。

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图3 有限元模型的网格划分

载荷和约求施加与工程实际是否吻合直接影响到分析结果的正确性、合理性。在实际工作中，只需分析最不利工况即可，即最大载荷、最大幅度的工况。在SimulationWorks中，载荷与约束直接在几何模型上加载，在求解时自动转换到有限元模型上。在该结构中，模型所受的风力近似考虑为静力，风力大小取当地15年内出现的最大风力，通常取11级风，风速取32m/s，空气密度取1.3kg/m3，当风力正面吹到指示装置上时，此时载荷达到最大。经过计算，在指示装置上施加载荷为1330Pa。在此分析中，在中间支撑平板和两底角处上添加全位移约束。所添加约束与载荷如图4所示。

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图4 添加的载荷与约束

以上准备工作做完之后就可以直接运行分析，得出分析结果。SimulationWorks通过彩色云图显示应力和位移的分布，以不同的颜色表示不同范围的应力值，能形象逼真地表现出指示装置内部的应力和位移应变分布情况，如图5所示。

由应力图很容易看出应力较大的区域，最大应力值为218.65MPa，而铝合金2024-T4的屈服应力为325MPa。因此，此结构最薄弱的环节也满足强度要求。由位移图解可以看出其最大位移为16.5mm，满足刚度要求。

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图5 指示装置内部应力和位移的分布

在指示装置上添加相同的约束，而所添加的载荷为上次所选面的反面，只有在此时和前者两种情况下，指示装置所承受的才是最大载荷。约束和载荷情况如图6所示，指示装置的应力如图7所示。

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图6 添加的载荷与约束

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图7 应力云图

由应力图可知，此种载荷下的最大应力值为188.2MPa，而铝合金2024-T4的屈服应力为325MPa。此种载荷下该结构也满足强度和刚度要求。

通过运用SolidWorks对跑道关闭指示装置进行建模，并利用SimulationWorks对其进行结构有限元仿真分析研究，通过加载不同方向的载荷来模拟当地的风力，为指示装置设计提供了可靠的分析数据和基础，实现了其受力的仿真优化，最终获得整体结构比较理想的设计参数。