CN104699873B - 一种飞机壁板开口结构数值分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种飞机壁板开口结构数值分析方法，节省时间和分析成本。技术方案包括：(1)建立壁板开口处有限元模型，通过对模型的离散化得到在该模型下壁板开口处结构的刚度矩阵；(2)根据刚度矩阵、周围结构传给开口处的载荷，生成结构广义位移；(3)根据结构广义位移矩阵和材料的本构关系计算每个单元的应力分布；(4)根据单元的应力分布计算等效长桁的应力分布和等效壁板的剪流分布；(5)将计算得到的等效长桁的应力和壁板的剪流，与长桁的材料许用值进行比较，如果应力值在材料许用值范围内，该部位满足强度要求。

Description

一种飞机壁板开口结构数值分析方法

技术领域

本发明属于数值仿真技术，涉及一种飞机壁板开口结构强度分析方法。

背景技术

飞机设计中，开口是必不可少的，开口的作用有：为最终组装和维修提供可达的通道，腹板上开孔达到减重的效果，为导线束、液压管线、操纵连杆、液体管道等留出通道，维修检查孔等。对飞机壁板开口结构而言，常规的数值分析方法有工程分析方法和有限元分析方法两种。

对于简单的开口结构，如椭圆形翻边结构，通常用于机翼和尾翼承受中小载荷或中等载荷的翼肋腹板。这些开孔腹板的强度常常采用工程分析法，需要借助经验设计曲线与数据。而对于结构比较复杂和承受载荷比较复杂的壁板开口结构，往往需要进行有限元模拟和全面的细节分析，需要大量的有限元建模和分析工作。在建立细节有限元模型时，对模型简化得太细，会导致总体模型过于庞大，也会出现由十分细小的网格到典型网络过渡上的困难；简化得太粗可能得不到理想的分析结果。

发明内容

发明目的：提供一种飞机壁板开口结构数值分析方法，节省时间和分析成本。

技术方案：一种飞机壁板开口结构数值分析方法，包括：

(1)建立壁板开口处有限元模型，通过对模型的离散化得到在该模型下壁板开口处结构的刚度矩阵；

(2)根据刚度矩阵、周围结构传给开口处的载荷，生成结构广义位移；结构广义位移计算公式为，

{F}=[K]·{d}

其中：{F}为载荷形成的载荷阵，[K]为结构的刚度矩阵，{d}为结构广义位移矩阵；

(3)根据结构广义位移矩阵和材料的本构关系计算每个单元的应力分布，计算公式如下：

σ_x=Eε_x

其中：u为广义位移在该单元的分量；x为广义位移的方向；ε_x为单元的应变值；σ_x为单元的应力值；E为材料本构关系；

(4)根据单元的应力分布计算等效长桁的应力分布和等效壁板的剪流分布；

(5)将计算得到的等效长桁的应力和壁板的剪流，与长桁的材料许用值进行比较，如果应力值在材料许用值范围内，该部位满足强度要求。

有益效果：本发明在飞机总体有限元模型中建立少量的单元来体现开口处的倒角，然后将开口处的多根长桁合并在一起用一根等效长桁代替，减少了分析中长桁的数量。本发明计算精度高，计算量小，适用于飞行结构总体模型中。

附图说明

图1为本发明壁板开口拐角处有限元模型示意图。

图2为本发明有开口的蒙皮-长桁壁板示意图。

图3为本发明1/4壁板替代结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

(1)建立壁板开口处有限元模型，通过对模型的离散化得到在该模型下壁板开口处结构的刚度矩阵

对于开口拐角处的模型，建立三个元素，如图1所示，即能满足分析精度的要求，这样总体模型的规模增加很小，元素之间的过渡也很好处理。

(2)根据刚度矩阵、周围结构传给开口处的载荷，根据下式所示公式，生成结构广义位移。

{F}=[K]·{d}

其中：{F}为载荷形成的载荷阵，[K]为结构的刚度矩阵，{d}为结构广义位移矩阵。

(3)根据结构广义位移矩阵和材料的本构关系计算每个单元的应力分布，计算公式如下：

σ_x=Eε_x

其中：u为广义位移在该单元的分量；x为广义位移的方向；ε_x为单元的应变值；σ_x为单元的应力值；E为材料本构关系。

(4)根据单元的应力分布计算等效长桁的应力分布和等效壁板的剪流分布

将壁板开口处切断的所有长桁等效为一根等效长桁，并与口框形成一个“围栏”，如图2所示。为了节省计算成本，取出“围栏”的1/4结构进行计算。

计算围栏肋条位置处(x=L)的等效长桁应力，如图3所示。

切断等效长桁（3号）内的应力：

其中：σ_gross为总截面上的平均轴向应力；r₁为第一衰减系数；x′为展向（或纵向）距离，原点在开口围栏肋条处。

围栏等效长桁（2号）内的应力：

其中：r₂第二为衰减系数。

连续等效长桁（1号）内的应力：

其中：A₁除围栏桁条之外的所有连续桁条（1号桁条）的有效横截面面积；A₂围栏桁条（2号桁条）的有效横截面面积；A₃所有切断桁条（3号桁条）的有效横截面面积。

壁板内的剪流：

1号与2号等效长桁间：

其中：τ₁₂为1号与2号等效长桁间剪应力；τ₂₃为2号与3号等效长桁间剪应力；t₁₂为1号桁条与2号桁条间连续蒙皮的厚度；t₂₃为2号桁条与3号桁条间非连续蒙皮的厚度。

2号与3号等效长桁间：

其中：r₃第三为衰减系数。

(5)将计算得到的等效长桁的应力和壁板的剪流，与长桁的材料许用值进行比较，如果应力值在材料许用值范围内，该部位满足强度要求。

Claims (1)

1.一种飞机壁板开口结构数值分析方法，其特征在于，包括：

(1)建立壁板开口处有限元模型，对于开口拐角处的模型，建立三个元素，通过对模型的离散化得到在该模型下壁板开口处结构的刚度矩阵；

(2)根据刚度矩阵、周围结构传给开口处的载荷，生成结构广义位移；结构广义位移计算公式为，

{F}＝[K]·{d}

其中：{F}为载荷形成的载荷阵，[K]为结构的刚度矩阵，{d}为结构广义位移矩阵；

(3)根据结构广义位移矩阵和材料的本构关系计算每个单元的应力分布，计算公式如下：

σ_x＝Eε_x

其中：u为广义位移在该单元的分量；x为广义位移的方向；ε_x为单元的应变值；σ_x为单元的应力值；E为材料本构关系；

(4)根据单元的应力分布计算等效长桁的应力分布和等效壁板的剪流分布；

将壁板开口处切断的所有长桁等效为一根等效长桁，并与口框形成一个“围栏”，

计算围栏肋条位置处的等效长桁应力，

切断等效长桁内的应力：

其中：σ_gross为总截面上的平均轴向应力；r₁为第一衰减系数；x′为展向距离，原点在开口围栏肋条处；

围栏等效长桁内的应力：

其中：r₂为第二衰减系数，σ_2R为开口围栏翼肋处的长桁应力；

连续等效长桁内的应力：

其中：A₁为除围栏桁条之外的所有连续桁条的有效横截面面积；A₂为围栏桁条的有效横截面面积；A₃为所有切断桁条的有效横截面面积；

壁板内的剪流：

连续等效长桁与围栏等效长桁间：

其中：τ₁₂为连续等效长桁与围栏等效长桁间剪应力；τ₂₃为围栏等效长桁与切断等效长桁间剪应力；t₁₂为连续等效长桁与围栏等效长桁间连续蒙皮的厚度；t₂₃为围栏等效长桁与切断等效长桁间非连续蒙皮的厚度，τ_23R为开口围栏翼肋处围栏等效长桁与切断等效长桁间剪应力，τ_12R为开口围栏翼肋处连续等效长桁与围栏等效长桁间剪应力；

围栏等效长桁与切断等效长桁间：

其中：r₃为第三衰减系数；

(5)将计算得到的等效长桁的应力和壁板的剪流，与长桁的材料许用值进行比较，如果应力值在材料许用值范围内，壁板开口区域结构满足强度要求。