CN102954318B - 一种薄壁机匣新型加强筋布局设计方法 - Google Patents

Abstract

一种薄壁机匣新型加强筋布局设计方法，其特征在于：利用锥面螺旋线在圆锥面机匣外表面开展加强筋布局设计；利用柱面螺旋线、锥面螺旋线和柱面螺旋线在圆锥面与圆柱面结合的机匣外表面开展加强筋布局设计；利用锥面螺旋线控制规律，控制锥面螺旋线在圆锥面机匣外表面上的起点和终点位置；利用柱面螺旋线控制规律，控制柱面螺旋线在圆柱面机匣外表面上的起点和终点位置；利用锥面螺旋线和柱面螺旋线控制规律，控制锥面螺旋线和柱面螺旋线在圆锥面、圆柱面结合的机匣外表面上的起点和终点位置；本发明的优点：可快速修改不同加强筋布局，适用于圆锥面机匣、圆柱面机匣以及圆锥面、圆柱面结合的机匣外表面加强筋布局设计。

Description

一种薄壁机匣新型加强筋布局设计方法

技术领域

本发明涉及结构设计领域，特别涉及了一种薄壁机匣新型加强筋布局设计方法。

背景技术

随着钛合金和先进复合材料的广泛应用及其结构先进制造工艺的发展，钛合金和复合材料加筋格栅机匣结构以其优良承载和抗损伤能力以及低成本制造等独特的优点已成为近当代航空、航天、船舶和高速运载机械中最有竞争性的先进结构形式之一。就加强筋布局设计而言，目前多采用直线或圆周线控制加强筋的布局设计，但在利用螺旋线控制加强筋布局设计方面尚属空白。

发明内容

本发明的目的是设计出的加强筋布局形式相较于传统矩形网格加强筋形式，可以更好地传递扭矩和弯矩，提高机匣筒体刚度和各向加强筋的利用效率，特提供了一种薄壁机匣新型加强筋布局设计方法。

本发明提供了一种薄壁机匣新型加强筋布局设计方法，其特征在于：利用锥面螺旋线1在圆锥面机匣3外表面开展加强筋布局设计；利用柱面螺旋线2在圆柱面机匣4外表面开展加强筋布局设计；利用锥面螺旋线1和柱面螺旋线2在圆锥面、圆柱面结合的机匣5外表面开展加强筋布局设计；在选定的坐标系下，利用锥面螺旋线1控制规律，控制锥面螺旋线1在圆锥面机匣3外表面上的起点和终点位置；在选定的坐标系下，利用柱面螺旋线2控制规律，控制柱面螺旋线2在圆柱面机匣4外表面上的起点和终点位置；在选定的坐标系下，利用锥面螺旋线1和柱面螺旋线2控制规律，控制锥面螺旋线1和柱面螺旋线2在圆锥面、圆柱面结合的机匣5外表面上的起点和终点位置；

在图2所示坐标系，符合右手定则，按公式101设计圆锥面机匣等格栅加强筋布局；

X＝ρ·sinα₀cosθ

Y＝ρ·sinα₀sinθ

Z＝(ρ-ρ₀)·cosα₀

$\mathrm{\ρ}={\mathrm{\ρ}}_0\·e^{\left(\frac{\mathrm{\θ}\·\sin {\mathrm{\α}}_0}{\tan \mathrm{\β}}\right)}---101$

式中ρ——圆锥面机匣筒体外壁面上任一点到圆锥顶点的距离

ρ₀——圆锥面机匣筒体进口截面外缘上任一点到圆锥顶点的距离

α₀——圆锥面机匣扩张角，即圆锥面半顶角

θ——锥面螺旋线上某点相对螺旋线起点，绕Z轴旋转的角度，用弧度表示

β——锥面螺旋线的螺旋角，对于等格栅网格，β=60°

在图4所示坐标系，符合右手定则，按公式102设计圆柱面机匣等格栅加强筋布局；

X＝R·cosθ

Y＝R·sinθ

Z=R·θ·cotβ 102

式中R——圆柱面机匣筒体外径

θ——柱面螺旋线上某点相对螺旋线起点，绕Z轴旋转的角度，用弧度表示

β——柱面螺旋线的螺旋角，对于等格栅网格，β=60°

在图6所示坐标系，符合右手定则，按公式103、104设计圆锥面、圆柱面结合的机匣等格栅加强筋布局；

锥面螺旋线

X=ρ·sinα₀cosθ

Y=ρ·sinα₀sinθ

Z=(ρ-ρ₀)·cosα₀

$\mathrm{\ρ}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_0}{e^{\left(\frac{\mathrm{\θ}\·\sin {\mathrm{\α}}_0}{\tan \mathrm{\β}}\right)}}---103$

式中ρ——圆锥面机匣筒体外壁面上任一点到圆锥顶点的距离

ρ₀——圆锥面机匣筒体出口截面外缘上任一点到圆锥顶点的距离

α₀——圆锥面机匣扩张角，即圆锥面半顶角

θ——锥面螺旋线上某点相对螺旋线起点，绕Z轴旋转的角度，用弧度表示

β——锥面螺旋线的螺旋角，对于等格栅网格，β＝60°

柱面螺旋线

X=R·cosθ

Y=R·sinθ

Z=R·θ·cotβ 104

式中R——圆柱面机匣筒体外径

θ——柱面螺旋线上某点相对螺旋线起点，绕Z轴旋转的角度，用弧度表示

β——柱面螺旋线的螺旋角，对于等格栅网格，β=60°

在确定了圆锥面机匣、圆柱面机匣或圆锥面、圆柱面结合的机匣的基本尺寸后，公式101和102中的ρ₀、α₀、β、R均为常数，而唯一的自变量θ的设置将直接影响加强筋布局的结构设计结果；

变量θ影响螺旋线起点和终点绕Z轴旋转的角向位置和螺旋线长度，可用公式105表示：

式中θ₀——柱面螺旋线起点绕Z轴旋转的角向位置，用弧度表示

——整条柱面螺旋线绕Z轴旋转的角度，用弧度表示

t——取值在[0,1]之间：当t=0时，θ=θ₀，表示螺旋线起点绕Z轴旋转的角向位置；当t=1时，表示螺旋线终点绕Z轴旋转的角向位置；当0＜t＜1时，θ可以表示螺旋线上起点与终点之间任意一点绕Z轴旋转的角向位置

在利用公式101～104设计机匣等格栅加强筋布局时需注意以下几点：

公式101～104的利用需满足在图2、图4、图6所示的坐标系下，对于圆锥面机匣和圆柱面机匣，坐标系XC-YC平面与机匣进口截面重合，原点设置在机匣进口截面圆心上；对于圆锥面、圆柱面结合的机匣，为保证加强筋在圆锥面和圆柱面交界处的连续性，坐标系XC-YC平面与圆锥面和圆柱面交界面重合，原点设置在交界面圆心上；

公式105中共有θ₀和两个自变量，一般地，为保证加强筋在机匣上分布的对称性，并方便建模，θ₀可取值0；同时，考虑到螺旋线应贯穿整个机匣外表面，可在之间取值；

利用公式101～105设计出的是一条机匣表面贯穿机匣进出口截面的加强筋引导线，后续还需要根据机匣强度计算分析结果，得到合适的加强筋截面高度、宽度。

本发明的优点：

本发明所述的薄壁机匣新型加强筋布局设计方法，可快速修改不同加强筋布局，并可进行改型产品的快速设计，适用于圆锥面机匣、圆柱面机匣以及圆锥面、圆柱面结合的机匣外表面加强筋布局设计。

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1为圆锥面机匣加强筋布局示意图；

图2为圆锥面机匣加强筋布局坐标系示意图；

图3为圆柱面机匣加强筋布局示意图；

图4为圆柱面机匣加强筋布局坐标系示意图；

图5为圆锥面、圆柱面结合的机匣加强筋布局示意图；

图6为圆锥面、圆柱面结合的机匣加强筋布局坐标系示意图。

具体实施方式

实施例

本实施例提供了一种薄壁机匣新型加强筋布局设计方法，其特征在于：利用锥面螺旋线1在圆锥面机匣3外表面开展加强筋布局设计；利用柱面螺旋线2在圆柱面机匣4外表面开展加强筋布局设计；利用锥面螺旋线1和柱面螺旋线2在圆锥面、圆柱面结合的机匣5外表面开展加强筋布局设计；在选定的坐标系下，利用锥面螺旋线1控制规律，控制锥面螺旋线1在圆锥面机匣3外表面上的起点和终点位置；在选定的坐标系下，利用柱面螺旋线2控制规律，控制柱面螺旋线2在圆柱面机匣4外表面上的起点和终点位置；在选定的坐标系下，利用锥面螺旋线1和柱面螺旋线2控制规律，控制锥面螺旋线1和柱面螺旋线2在圆锥面、圆柱面结合的机匣5外表面上的起点和终点位置；

在图2所示坐标系，符合右手定则，按公式101设计圆锥面机匣等格栅加强筋布局；

X＝ρ·sinα₀cosθ

Y＝ρ·sinα₀sinθ

Z＝(ρ-ρ₀)·cosα₀

$\mathrm{\ρ}={\mathrm{\ρ}}_0\·e^{\left(\frac{\mathrm{\θ}\·\sin {\mathrm{\α}}_0}{\tan \mathrm{\β}}\right)}---101$

式中ρ——圆锥面机匣筒体外壁面上任一点到圆锥顶点的距离

ρ₀——圆锥面机匣筒体进口截面外缘上任一点到圆锥顶点的距离

α₀——圆锥面机匣扩张角，即圆锥面半顶角

θ——锥面螺旋线上某点相对螺旋线起点，绕Z轴旋转的角度，用弧度表示

β——锥面螺旋线的螺旋角，对于等格栅网格，β=60°

在图4所示坐标系，符合右手定则，按公式102设计圆柱面机匣等格栅加强筋布局；

X＝R·cosθ

Y＝R·sinθ

Z=R·θ·cotβ 102

式中R——圆柱面机匣筒体外径

θ——柱面螺旋线上某点相对螺旋线起点，绕Z轴旋转的角度，用弧度表示

β——柱面螺旋线的螺旋角，对于等格栅网格，β=60°

在图6所示坐标系，符合右手定则，按公式103、104设计圆锥面、圆柱面结合的机匣等格栅加强筋布局；

锥面螺旋线

X=ρ·sinα₀cosθ

Y=ρ·sinα₀sinθ

Z＝(ρ-ρ₀)·cosα₀

$\mathrm{\ρ}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_0}{e^{\left(\frac{\mathrm{\θ}\·\sin {\mathrm{\α}}_0}{\tan \mathrm{\β}}\right)}}---103$

式中ρ——圆锥面机匣筒体外壁面上任一点到圆锥顶点的距离

ρ₀——圆锥面机匣筒体出口截面外缘上任一点到圆锥顶点的距离

α₀——圆锥面机匣扩张角，即圆锥面半顶角

θ——锥面螺旋线上某点相对螺旋线起点，绕Z轴旋转的角度，用弧度表示

β——锥面螺旋线的螺旋角，对于等格栅网格，β=60°

柱面螺旋线

X＝R·cosθ

Y＝R·sinθ

Z=R·θ·cotβ 104

式中R——圆柱面机匣筒体外径

θ——柱面螺旋线上某点相对螺旋线起点，绕Z轴旋转的角度，用弧度表示

β——柱面螺旋线的螺旋角，对于等格栅网格，β=60°

在确定了圆锥面机匣、圆柱面机匣或圆锥面、圆柱面结合的机匣的基本尺寸后，公式101和102中的ρ₀、α₀、β、R均为常数，而唯一的自变量θ的设置将直接影响加强筋布局的结构设计结果；

变量θ影响螺旋线起点和终点绕Z轴旋转的角向位置和螺旋线长度，可用公式105表示：

式中θ₀——柱面螺旋线起点绕Z轴旋转的角向位置，用弧度表示——整条柱面螺旋线绕Z轴旋转的角度，用弧度表示

t——取值在[0,1]之间：当t=0时，θ=θ₀，表示螺旋线起点绕Z轴旋转的角向位置；当t=1时，表示螺旋线终点绕Z轴旋转的角向位置；当0＜t＜1时，θ可以表示螺旋线上起点与终点之间任意一点绕Z轴旋转的角向位置

在利用公式101～104设计机匣等格栅加强筋布局时需注意以下几点：

公式101～104的利用需满足在图2、图4、图6所示的坐标系下，对于圆锥面机匣和圆柱面机匣，坐标系XC-YC平面与机匣进口截面重合，原点设置在机匣进口截面圆心上；对于圆锥面、圆柱面结合的机匣，为保证加强筋在圆锥面和圆柱面交界处的连续性，坐标系XC-YC平面与圆锥面和圆柱面交界面重合，原点设置在交界面圆心上；

公式105中共有θ₀和两个自变量，一般地，为保证加强筋在机匣上分布的对称性，并方便建模，θ₀可取值0；同时，考虑到螺旋线应贯穿整个机匣外表面，可在之间取值；

利用公式101～105设计出的是一条机匣表面贯穿机匣进出口截面的加强筋引导线，后续还需要根据机匣强度计算分析结果，得到合适的加强筋截面高度、宽度。

Claims (1)

1.一种薄壁机匣新型加强筋布局设计方法，其特征在于：利用锥面螺旋线（1）在圆锥面机匣（3）外表面开展加强筋布局设计；利用柱面螺旋线（2）在圆柱面机匣（4）外表面开展加强筋布局设计；利用锥面螺旋线（1）和柱面螺旋线（2）在圆锥面、圆柱面结合的机匣（5）外表面开展加强筋布局设计；在选定的坐标系下，利用锥面螺旋线（1）控制规律，控制锥面螺旋线（1）在圆锥面机匣（3）外表面上的起点和终点位置；在选定的坐标系下，利用柱面螺旋线（2）控制规律，控制柱面螺旋线（2）在圆柱面机匣（4）外表面上的起点和终点位置；在选定的坐标系下，利用锥面螺旋线（1）和柱面螺旋线（2）控制规律，控制锥面螺旋线（1）和柱面螺旋线（2）在圆锥面、圆柱面结合的机匣（5）外表面上的起点和终点位置；

在坐标系中，符合右手定则，按公式（101）设计圆锥面机匣等格栅加强筋布局；

X=ρ·sinα₀cosθ

Y=ρ·sinα₀sinθ

Z=(ρ-ρ₀)·cosα₀

$\mathrm{\ρ}={\mathrm{\ρ}}_0\·e^{\left(\frac{\mathrm{\θ}\·\sin {\mathrm{\α}}_0}{\tan \mathrm{\β}}\right)}---\left(101\right)$

式中ρ——圆锥面机匣筒体外壁面上任一点到圆锥顶点的距离

ρ₀——圆锥面机匣筒体进口截面外缘上任一点到圆锥顶点的距离

α₀——圆锥面机匣扩张角，即圆锥面半顶角

θ——锥面螺旋线上某点相对螺旋线起点，绕Z轴旋转的角度，用弧度表示

β——锥面螺旋线的螺旋角，对于等格栅网格，β=60°

在坐标系中，符合右手定则，按公式（102）设计圆柱面机匣等格栅加强筋布局；

X=R·cosθ

Y=R·sinθ

Z=R·θ·cotβ （102）

式中R——圆柱面机匣筒体外径

θ——柱面螺旋线上某点相对螺旋线起点，绕Z轴旋转的角度，用弧度表示

β——柱面螺旋线的螺旋角，对于等格栅网格，β=60°

在坐标系中，符合右手定则，按公式（103）、（104）设计圆锥面、圆柱面结合的机匣等格栅加强筋布局；

锥面螺旋线

X=ρ·sinα₀cosθ

Y=ρ·sinα₀sinθ

Z=(ρ-ρ₀)·cosα₀

$\mathrm{\ρ}=\frac{{\mathrm{\ρ}}_0}{e^{\left(\frac{\mathrm{\θ}\·\sin {\mathrm{\α}}_0}{\tan \mathrm{\β}}\right)}}---\left(103\right)$

式中ρ——圆锥面机匣筒体外壁面上任一点到圆锥顶点的距离

ρ₀——圆锥面机匣筒体出口截面外缘上任一点到圆锥顶点的距离

α₀——圆锥面机匣扩张角，即圆锥面半顶角

θ——锥面螺旋线上某点相对螺旋线起点，绕Z轴旋转的角度，用弧度表示

β——锥面螺旋线的螺旋角，对于等格栅网格，β=60°

柱面螺旋线

X=R·cosθ

Y=R·sinθ

Z=R·θ·cotβ （104）

式中R——圆柱面机匣筒体外径

θ——柱面螺旋线上某点相对螺旋线起点，绕Z轴旋转的角度，用弧度表示

β——柱面螺旋线的螺旋角，对于等格栅网格，β=60°

在确定了圆锥面机匣、圆柱面机匣或圆锥面、圆柱面结合的机匣的基本尺寸后，公式（101）和（102）中的ρ₀、α₀、β、R均为常数，而唯一的自变量θ的设置将直接影响加强筋布局的结构设计结果；

变量θ影响螺旋线起点和终点绕Z轴旋转的角向位置和螺旋线长度，可用公式（105）表示：

式中θ₀——柱面螺旋线起点绕Z轴旋转的角向位置，用弧度表示

——整条柱面螺旋线绕Z轴旋转的角度，用弧度表示

t——取值在[0，1]之间：当t=0时，θ=θ₀，表示螺旋线起点绕Z轴旋转的角向位置；当t=1时，，表示螺旋线终点绕Z轴旋转的角向位置；当0＜t＜1时，θ可以表示螺旋线上起点与终点之间任意一点绕Z轴旋转的角向位置

在利用公式（101）～（104）设计机匣等格栅加强筋布局时需注意以下几点：

公式（101）～（104）的利用需满足在坐标系下，对于圆锥面机匣和圆柱面机匣，坐标系XC-YC平面与机匣进口截面重合，原点设置在机匣进口截面圆心上；对于圆锥面、圆柱面结合的机匣，为保证加强筋在圆锥面和圆柱面交界处的连续性，坐标系XC-YC平面与圆锥面和圆柱面交界面重合，原点设置在交界面圆心上；

公式（105）中共有θ₀和两个自变量，为保证加强筋在机匣上分布的对称性，并方便建模，θ₀可取值0；同时，考虑到螺旋线应贯穿整个机匣外表面，可在之间取值；

利用公式（101）～（105）设计出的是一条机匣表面贯穿机匣进出口截面的加强筋引导线，后续还需要根据机匣强度计算分析结果，得到合适的加强筋截面高度、宽度。