CN103729498A - 一种大型复合材料加筋壁板结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种大型复合材料加筋壁板结构设计方法属于飞机复合材料结构设计领域。本发明方法根据复合材料的设计许用剪应变γ和正应变ε，计算金属材料盒段壁板的等效弹性模量E与剪切模量G的比值，根据该比值确定该考核区复合材料层压板的铺层比例，再根据应变情况确定考核区初步铺层层数、角度和顺序，将铺层角度信息及材料性能数据输入有限元模型求解应变及校核稳定性，经过迭代，确定蒙皮长桁铺层层数、顺序和角度，保证所有铺层对称均衡，采用数字化建模，并进行数字化三维标注、玻璃布铺贴、材料及加工附注等信息。该发明大大缩短了大型复合材料壁板设计制造周期，同时也大大提高了产品的质量。

Description

一种大型复合材料加筋壁板结构设计方法

技术领域

本发明一种大型复合材料加筋壁板结构属于飞机复合材料结构设计领域。 

背景技术

采用传统设计方法，在方案设计阶段往往根据经验确定壁板的铺层比例，很不科学，且铺层优化设计时不容易收敛，因为初值偏离真值较大，重量损失也较大。同时，传统复合材料设计采用二维铺层逐层画法设计，对于铺层变化区域较多、较复杂的大型加筋壁板，不仅难以设计，且容易出错，同时给制造方带来较大次生工作量，重量还统计不准等缺点。 

发明内容

本发明的目的是：本发明首次提出了一种在方案设计阶段有针对性和定量地确定复合材料壁板铺层参数的设计方法，并首次集成了大型复合材料壁板参数设计和数字化建模，攻克了该类零件设计的难题。 

本发明的技术方案是：本发明方法包括如下步骤： 

1)复合材料尾翼主盒段主要包括前梁、后梁、上壁板、下壁板和肋，在方案设计阶段确定盒段的压力F，外形、前后梁位置和所选复合材料，单块式结构壁板承受较大弯矩，此时为计算方便，可以忽略梁缘条对弯矩的承担； 

2)选取壁板考核区，区的大小依据分区精度考虑选取，然后取本区的中轴面切割壁板，所得o1-o2剖面的待确定铺层参数即代表了改区的铺层参数； 

3)计算外载压力对该o1-o2剖面的弯矩M和扭矩Mt，其中M=Fa，Mt=Fb，其中b为压力F作用点机压心距考核面o1-o2距离，b为压心距盒段前后梁中面之间的距离； 

4)假设考核剖面几何参数，其中蒙皮厚度假设为t，盒段高度假设为H，前后梁之间距离为S，根据工程梁理论公式计算正应变ε和剪应变γ： 

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\σ}}{E}=\frac{M}{\mathrm{HStE}}$

$\mathrm{\γ}=\frac{\mathrm{Mt}}{2\mathrm{HStG}}$

将以上两式相除，并令正应变ε和剪应变γ分别取该种复合材料的设计需用应变，计算出该壁板剖面铺层拉压弹性模量E与剪切模量G之比值； 

ε=4500με 

γ=3500με 

5)根据拉压弹性模量E与剪切模量G之比值选取铺层比例。然后将该区铺层的拉压弹性模量E与剪切模量G值带入以上两式确定厚度t，至此，壁板考核区之铺层基本确定。其他区铺层确定重复以上5步； 

6)将以上铺层信息如铺层层数、角度和顺序带入有限元总模型进行校核； 

7)确认铺层信息后采用数字化建模并进行数字化三维标注。 

本发明的有益效果是：本发明首次提出了一种在方案设计阶段有目标的定量式确定复合材料壁板铺层参数的设计方法。本发明快速准确地确定了铺层参数，具有针对性强、概念清晰和结果准确等优点，同时本发明将确定的壁板铺层参数输入相关软件进行了数字化建模，可生成准确三维模型，方便了相关零件协调设计，采用三维标注方便工艺加工，并可快速进行重量评估，总之，该发明首次集成了大型复合材料壁板参数设计和数字化建模，攻克了该类零件设计的难题，并大大缩短了大型复合材料壁板设计制造周期，同时也大大提高了产品的质量。 

附图说明

图1复合材料尾翼主盒段示意图 

图2o1-o2剖面示意图 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明： 

本发明方法包括如下步骤： 

1)复合材料尾翼主盒段主要包括前梁、后梁、上壁板、下壁板和肋，在方案设计阶段确定盒段的压力F，外形、前后梁位置和所选复合材料，单块式结构壁板承受较大弯矩，此时为计算方便，可以忽略梁缘条对弯矩的承担； 

2)选取壁板考核区，区的大小依据分区精度考虑选取，然后取本区的中轴面切割壁板，所得o1-o2剖面的待确定铺层参数即代表了改区的铺层参数； 

3)计算外载压力对该o1-o2剖面的弯矩M和扭矩Mt，其中M=Fa，Mt=Fb，其中b为压力F作用点机压心距考核面o1-o2距离，b为压心距盒段前后梁中面之间的距离； 

4)假设考核剖面几何参数，其中蒙皮厚度假设为t，盒段高度假设为H，前后梁之间距离为S，根据工程梁理论公式计算正应变ε和剪应变γ： 

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\σ}}{E}=\frac{M}{\mathrm{HStE}}$

$\mathrm{\γ}=\frac{\mathrm{Mt}}{2\mathrm{HStG}}$

将以上两式相除，并令正应变ε和剪应变γ分别取该种复合材料的设计需用应变，计算出该壁板剖面铺层拉压弹性模量E与剪切模量G之比值； 

ε=4500με 

γ=3500με 

5)根据拉压弹性模量E与剪切模量G之比值选取铺层比例。然后将该区铺层的拉压弹性模量E与剪切模量G值带入以上两式确定厚度t，至此，壁板考核区之铺层基本确定。其他区铺层确定重复以上5步； 

6)将以上铺层信息如铺层层数、角度和顺序带入有限元总模型进行校核； 

7)确认铺层信息后采用数字化建模并进行数字化三维标注。 

Claims (1)

1.一种尾翼大型复合材料加筋壁板结构综合设计方法，其特征在于，本发明方法包括如下步骤：

1)复合材料尾翼主盒段主要包括前梁、后梁、上壁板、下壁板和肋，在方案设计阶段确定盒段的压力F，外形、前后梁位置和所选复合材料，单块式结构壁板承受较大弯矩，此时为计算方便，可以忽略梁缘条对弯矩的承担；

2)选取壁板考核区，区的大小依据分区精度考虑选取，然后取本区的中轴面切割壁板，所得o1-o2剖面的待确定铺层参数即代表了改区的铺层参数；

3)计算外载压力对该o1-o2剖面的弯矩M和扭矩Mt，其中M=Fa，Mt=Fb，其中b为压力F作用点机压心距考核面o1-o2距离，b为压心距盒段前后梁中面之间的距离；

4)假设考核剖面几何参数，其中蒙皮厚度假设为t，盒段高度假设为H，前后梁之间距离为S，根据工程梁理论公式计算正应变ε和剪应变γ：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\σ}}{E}=\frac{M}{\mathrm{HStE}}$

$\mathrm{\γ}=\frac{\mathrm{Mt}}{2\mathrm{HStG}}$

将以上两式相除，并令正应变ε和剪应变γ分别取该种复合材料的设计需用应变，计算出该壁板剖面铺层拉压弹性模量E与剪切模量G之比值；

ε=4500με

γ=3500με

5)根据拉压弹性模量E与剪切模量G之比值选取铺层比例。然后将该区铺层的拉压弹性模量E与剪切模量G值带入以上两式确定厚度t，至此，壁板考核区之铺层基本确定。其他区铺层确定重复以上5步；

6)将以上铺层信息如铺层层数、角度和顺序带入有限元总模型进行校核；

7)确认铺层信息后采用数字化建模并进行数字化三维标注。

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