CN105197253A - 一种机翼加筋壁板安全裕度计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机翼加筋壁板安全裕度计算方法。所述机翼加筋壁板安全裕度计算方法包括如下步骤：步骤1：获取长桁单元以及覆盖长桁单元的蒙皮的参数及其相对之间位置关系参数；步骤2：获取机翼加筋壁板与翼盒之间的相对位置关系参数；步骤3：通过公式计算长桁单元许用压缩应力；步骤4：通过公式计算长桁单元许用承载能力、长桁单元的实际工作载荷、机翼加筋壁板的剪切许用值、机翼加筋壁板的实际工作中受到的剪切应力；步骤5：通过公式计算机翼加筋壁板的安全裕度。本发明中的机翼加筋壁板安全裕度计算方法通过求出机翼加筋壁板的安全裕度的方式来度量机翼加筋壁板强度，该方法通过了试验验证，能够提高结构效率，缩短设计周期。

Description

一种机翼加筋壁板安全裕度计算方法

技术领域

本发明涉及航空技术领域，特别是涉及一种机翼加筋壁板安全裕度计算方法。

背景技术

现有技术通常对于机翼加筋壁板安全裕度计算方法采用“EULER-JOHNSON”方程进行计算，然而，以“EULER-JOHNSON”方程为核心的应力强度计算无法解决的以下三个问题：

1.计算点和分析点不对应。计算壁板单轴压缩承载能力时，将蒙皮折算到桁条上去。计算时，认为载荷作用在组合件(有效蒙皮面积和桁条面积)的形心上；而实际机翼结构的桁条形心和蒙皮中心线不重合，但在应力分析中简化到一点(即蒙皮中心线上)，其处理方法是满足惯性矩相同的条件。应力分析时给出的是蒙皮中面处的应力；

2.长桁单元中桁条应力和蒙皮应力也不相同；

3.蒙皮有效宽度的影响。即蒙皮并不总是全部参加总体受力。

因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种机翼加筋壁板安全裕度计算方法来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。

为实现上述目的，本发明提供一种机翼加筋壁板安全裕度计算方法。机翼加筋壁板设置在翼盒内，所述机翼加筋壁板包括长桁以及覆盖所述长桁的蒙皮，其中，所述长桁包括多个相互连接的长桁单元，所述机翼加筋壁板安全裕度计算方法包括如下步骤：步骤1：获取长桁单元以及覆盖所述长桁单元的蒙皮的参数及其相对之间位置关系参数；步骤2：获取机翼加筋壁板与所述翼盒之间的相对位置关系参数；步骤3：根据所述步骤1以及所述步骤2中的参数，通过公式计算长桁单元许用压缩应力；步骤4：根据所述步骤1至所述步骤3中的参数，通过公式计算长桁单元沿所述长桁单元的轴向的许用承载能力、长桁单元沿所述长桁单元的轴向的实际工作载荷、机翼加筋壁板的剪切许用值、机翼加筋壁板的实际工作中受到的剪切应力；步骤5：根据所述步骤4中的数据，通过公式计算机翼加筋壁板的安全裕度。

优选地，所述步骤1中的长桁单元以及覆盖所述长桁单元的蒙皮的参数包括：b_e——覆盖长桁单元的蒙皮的有效蒙皮宽度，t_s为蒙皮厚度；F_2i——长桁的截面面积；所述步骤1中的长桁单元以及覆盖所述长桁单元的蒙皮的相对之间位置关系参数包括：y_0i——长桁的形心至蒙皮中面的距离。

优选地，所述机翼加筋壁板与所述翼盒之间的相对位置关系参数包括：

y_1i——长桁的形心至翼盒的剖面惯性主轴的距离。

优选地，通过如下公式计算长桁单元许用压缩应力：

${\mathrm{\σ}}_c={\mathrm{\σ}}_f-\frac{{{\mathrm{\σ}}_f}^2}{4{\mathrm{\π}}^{2}E}{(L^{\′}/\mathrm{\ρ})}^2;$ 其中，

σ_c——长桁单元许用压缩应力；σ_f——长桁压损应力；

E——壁板、长桁材料的压缩弹性模量；

L'——壁板长桁单元的有效柱长度；

ρ——长桁单元的剖面的回转半径；

I——长桁单元的剖面的惯性矩；A——长桁单元的面积。

优选地，所述步骤4中计算长桁单元(2)沿所述长桁单元(2)的轴向的许用承载能力公式具体为：

$\[P\]={\[\mathrm{\σ}\]}_c\×b_e\×t_s+{\[\mathrm{\σ}\]}_c\×F_{2i}\×\frac{(y_{1i}-y_{0i})}{y_{1i}},$ 其中，

y_1i——长桁的形心(分析点处)至翼盒的剖面惯性主轴的距离；

b_e——覆盖长桁单元的蒙皮的有效蒙皮宽度；

t_s为蒙皮厚度；F_2i——长桁的截面面积；

y_0i——长桁的形心至蒙皮中面的距离；

[σ]_c——壁板长桁单元许用压缩应力；

[P]——长桁单元沿所述长桁单元的轴向的许用承载能力。

优选地，所述步骤4中计算长桁单元沿所述长桁单元的轴向的实际工作载荷的公式具体为：

P_i＝σ_1iF_1i+σ_siF_si；其中，

σ_1i为长桁的应力；

F_1i为长桁的截面面积；

σ_si为蒙皮正应力；

F_si为覆盖所述长桁单元的蒙皮面积；

P_i为长桁单元沿所述长桁单元的轴向的实际工作载荷。

优选地，所述步骤5中的计算机翼加筋壁板的安全裕度公式具体为：其中，机翼加筋壁板的M.S.为安全裕度；P_i为长桁单元沿所述长桁单元的轴向的实际工作载荷；[P]为长桁单元沿所述长桁单元的轴向的许用承载能力；τ为机翼加筋壁板的实际工作中受到的剪切应力；τ_cr为机翼加筋壁板的剪切许用值。

优选地，所述蒙皮的厚度至少超过1毫米。

优选地，所述机翼加筋壁板以金属材料制成。

本发明中的机翼加筋壁板安全裕度计算方法通过求出机翼加筋壁板的安全裕度的方式来度量机翼加筋壁板强度，该方法通过了试验验证，能够提高结构效率，缩短设计周期。

附图说明

图1是根据本发明一实施例的机翼加筋壁板的结构示意图。

图2是图1所示的机翼加筋壁板安全裕度计算方法的流程示意图。

附图标记：

1

蒙皮

2

长桁单元

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

图1是根据本发明一实施例的机翼加筋壁板的结构示意图。图2是图1所示的机翼加筋壁板安全裕度计算方法的流程示意图。

如图1所示的机翼加筋壁板设置在翼盒内，机翼加筋壁板包括长桁以及覆盖长桁的蒙皮1，其中，长桁包括多个相互连接的长桁单元2。

参见图2，在本实施例中，机翼加筋壁板安全裕度计算方法包括如下步骤：

步骤1：获取长桁单元2以及覆盖长桁单元2的蒙皮1的参数及其相对之间位置关系参数；

步骤2：获取机翼加筋壁板与翼盒之间的相对位置关系参数；

步骤3：根据步骤1以及步骤2中的参数，通过公式计算长桁单元2许用压缩应力；

步骤4：根据步骤1至步骤3中的参数，通过公式计算长桁单元2沿长桁单元2的轴向的许用承载能力、长桁单元2沿长桁单元2的轴向的实际工作载荷、机翼加筋壁板的剪切许用值(该公式可通过已知公式求出)、机翼加筋壁板的实际工作中受到的剪切应力(该数值可通过试验或者测量)；

步骤5：根据步骤4中的数据，通过公式计算机翼加筋壁板的安全裕度。

可以理解的是，上述的步骤1中的长桁单元2以及覆盖长桁单元2的蒙皮1的参数包括：b_e——覆盖长桁单元的蒙皮的有效蒙皮宽度(可通过现有公式或者测量得到)，t_s为蒙皮厚度(测量可得)；F_2i——长桁的截面面积(测量可得)；

步骤1中的长桁单元2以及覆盖长桁单元2的蒙皮1的相对之间位置关系参数包括：y_0i——长桁的形心至蒙皮中面的距离(测量可得)。

在本实施例中，机翼加筋壁板与翼盒之间的相对位置关系参数包括：

y_1i——长桁的形心至翼盒的剖面惯性主轴的距离(测量可得)。

在本实施例中，通过如下公式计算长桁单元2许用压缩应力：

${\mathrm{\σ}}_c={\mathrm{\σ}}_f-\frac{{{\mathrm{\σ}}_f}^2}{4{\mathrm{\π}}^{2}E}{(L^{\′}/\mathrm{\ρ})}^2;$ 其中，

σ_c——长桁单元许用压缩应力；σ_f——长桁压损应力(能够通过现有公式获取)；

E——壁板、长桁材料的压缩弹性模量；

L'——壁板长桁单元的有效柱长度；

ρ——长桁单元的剖面的回转半径；

I——长桁单元的剖面的惯性矩；A——长桁单元的面积。

在本实施例中，步骤4中计算长桁单元2沿所述长桁单元2的轴向的许用承载能力公式具体为：

$\[P\]={\[\mathrm{\σ}\]}_c\×b_e\×t_s+{\[\mathrm{\σ}\]}_c\×F_{2i}\×\frac{(y_{1i}-y_{0i})}{y_{1i}},$ 其中，

y_1i——长桁的形心(分析点处)至翼盒的剖面惯性主轴的距离；

b_e——覆盖长桁单元的蒙皮的有效蒙皮宽度(现有技术公式可求)；

t_s为蒙皮厚度；F_2i——长桁的截面面积；

y_0i——长桁的形心至蒙皮中面的距离；

[σ]_c——壁板长桁单元许用压缩应力(通过现有公式求得)；

[P]——长桁单元沿所述长桁单元的轴向的许用承载能力。

在本实施例中，步骤4中计算长桁单元2沿长桁单元2的轴向的实际工作载荷的公式具体为：

P_i＝σ_1iF_1i+σ_siF_si；其中，

σ_1i为长桁的应力；

F_1i为长桁的截面面积；

σ_si为蒙皮正应力；

F_si为覆盖所述长桁单元的蒙皮面积；

P_i为长桁单元沿所述长桁单元的轴向的实际工作载荷。

在本实施例中，步骤5中的计算机翼加筋壁板的安全裕度公式具体为： $M.S.=\frac{2}{\frac{P_i}{\[P\]}+\sqrt{\frac{{P_i}^2}{\[P\]}+4{\[\frac{\mathrm{\τ}}{{\mathrm{\τ}}_{cr}}\]}^2}}-1.0;$ 其中，

机翼加筋壁板的M.S.为安全裕度；

P_i为长桁单元沿长桁单元的轴向的实际工作载荷；

[P]为长桁单元沿长桁单元的轴向的许用承载能力；

τ为机翼加筋壁板的实际工作中受到的剪切应力；

τ_cr为机翼加筋壁板的剪切许用值。

有利的是，蒙皮的厚度至少超过1毫米。

有利的是，机翼加筋壁板以金属材料制成。

为了方便查阅，下述中给出上述中所需公式：

${\mathrm{\σ}}_c={\mathrm{\σ}}_f-\frac{{{\mathrm{\σ}}_f}^2}{4{\mathrm{\π}}^{2}E}{(L^{\′}/\mathrm{\ρ})}^2$

式中：σ_c——长桁和有效蒙皮组合剖面的许用压缩应力；σ_f——长桁压损应力；

E——壁板、长桁材料的压缩弹性模量；

L'——壁板长桁单元的有效柱长度，L——肋距；

ρ——长桁和有效蒙皮组合剖面的回转半径，

I——长桁和有效蒙皮组合剖面的惯性矩；C——翼肋支持系数，取C＝1.0；

A——长桁和有效蒙皮组合剖面的面积。

长桁压损应力计算

${\mathrm{\σ}}_f=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\left(b_i{\mathrm{\δ}}_i{\mathrm{\σ}}_{fi}\right)/\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\left(b_i{\mathrm{\δ}}_i\right)$

式中：b_i——第i个板元的宽度；δ_i——第i个板元的厚度；

σ_fi——第i个板元的压损应力，截止值取σ_0.2；N——组成剖面的板元总个数。

$W_{eff}=0.95\mathrm{\δ}\sqrt{E/{\mathrm{\σ}}_{st}}$

式中：σ_st——长桁应力；δ——蒙皮厚度；E——蒙皮材料的弹性模量。

蒙皮有效宽度是模拟板在受载中的失稳程度的，蒙皮有效宽度的确定需采用迭代法，并受b_e≤b_s(桁条间距)限制。

蒙皮剪切屈曲许用应力τ_cr计算

壁板受剪时，剪切载荷只能由蒙皮来承受。蒙皮剪切屈曲是指发生在两个相邻的长桁和两个相邻的肋之间的板元的屈曲，蒙皮剪切屈曲临界应力按下式进行计算。

${\mathrm{\τ}}_{cr}=K_{s}E{\left(\frac{\mathrm{\δ}}{d}\right)}^2$

式中：K_s——剪切临界应力系数，由飞机设计手册第九册中的曲线查取；

δ——蒙皮厚度；d——长桁间距；

τ_cr——壁板剪切许用值，并受[τ_cr]≤0.8τ_b限制，0.8为材料剪切强度开孔削弱系数。

壁板在压缩和剪切载荷复合作用下的强度分析

壁板长桁单元在压缩和剪切复合作用下强度校核按下式进行。

$\frac{{\mathrm{\σ}}_c}{{\[\mathrm{\σ}\]}_c}+{\left(\frac{\mathrm{\τ}}{{\mathrm{\τ}}_{cr}}\right)}^2\≤1.0$

式中：σ_c——壁板长桁单元压缩工作应力；[σ]_c——壁板长桁单元许用压缩应力；

τ——与壁板长桁单元相应的蒙皮单元的剪切工作应力；

[τ]_cr——与壁板长桁单元相应的蒙皮单元的许用剪切应力。

实际上，不能直接按上式对壁板进行强度校核。对压缩而言，不能直接用工作应力和许用应力进行比较，原因有三个：

a)计算点和分析点不对应。计算壁板单轴压缩承载能力时，将蒙皮折算到桁条上去。计算[σ]_c时，认为载荷作用在组合件(有效蒙皮面积和桁条面积)的形心上；而实际机翼结构的桁条形心和蒙皮中心线不重合，但在应力分析中简化到一点(即蒙皮中心线上)，其处理方法是满足惯性矩相同的条件。应力分析时给出的是蒙皮中面处的应力；

b)长桁单元中桁条应力和蒙皮应力也不相同；

c)蒙皮有效宽度的影响。即蒙皮并不总是全部参加总体受力。

由于上述原因，对压缩项只能按照长桁单元作用载荷和许用载荷进行比较。

求长桁单元承受轴向载荷的能力

壁板长桁单元示意图

计算壁板长桁单元[σ]_c时，认为载荷是作用在组合件(有效蒙皮面积和桁条面积)的形心上的。[σ]_c对桁条来说，认为是可承受的最高应力，作用在长桁自身形心处；而对有效蒙皮来说，认为是可承受的最高应力，作用在分析点处，在保证力矩不变情况下，将作用在组合件形心上的载荷移到分析点上要乘以一个折算系数。单元承载能力折算到蒙皮中面上的当量承载能力为：

$\[P\]={\[\mathrm{\σ}\]}_c\×b_e\×t_s+{\[\mathrm{\σ}\]}_c\×F_{2i}\×\frac{(y_{1i}-y_{0i})}{y_{1i}}$

式中：[σ]_c——壁板长桁单元许用压缩应力；

b_e——壁板长桁单元有效蒙皮宽度，t_s为蒙皮厚度；F_2i——实际桁条面积；

y_1i——折算桁条形心(分析点处)至剖面主轴的距离；

y_0i——实际桁条形心至蒙皮中面的距离。

求长桁单元作用轴向载荷

应力分析时给出的应力分布是沿蒙皮中心线的，计算出总的作用载荷。设桁条应力为σ_1i，桁条面积为F_1i，蒙皮正应力为σ_si，蒙皮面积为F_si，则任意壁板长桁单元上作用的载荷为：

P_i＝σ_1iF_1i+σ_siF_si

在实际分析时，壁板长桁计算单元在压缩和剪切复合作用下强度校核相关方程就由以下方程来替代。

$\frac{P_i}{\[P\]}+{\left(\frac{\mathrm{\τ}}{{\mathrm{\τ}}_{cr}}\right)}^2\≤1.0$

壁板压剪复合安全裕度的计算

据上述方法，壁板长桁计算单元在压缩和剪切载荷复合作用下安全裕度计算如下。

$M.S.=\frac{2}{R_c+\sqrt{{R_c}^2+4{R_S}^2}}-1.0$

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种机翼加筋壁板安全裕度计算方法，机翼加筋壁板设置在翼盒内，所述机翼加筋壁板包括长桁以及覆盖所述长桁的蒙皮(1)，其中，所述长桁包括多个相互连接的长桁单元(2)，其特征在于，所述机翼加筋壁板安全裕度计算方法包括如下步骤：

步骤1：获取长桁单元(2)以及覆盖所述长桁单元(2)的蒙皮(1)的参数及其相对之间位置关系参数；

步骤2：获取机翼加筋壁板与所述翼盒之间的相对位置关系参数；

步骤3：根据所述步骤1以及所述步骤2中的参数，通过公式计算长桁单元(2)许用压缩应力；

步骤4：根据所述步骤1至所述步骤3中的参数，通过公式计算长桁单元(2)沿所述长桁单元(2)的轴向的许用承载能力、长桁单元(2)沿所述长桁单元(2)的轴向的实际工作载荷、机翼加筋壁板的剪切许用值、机翼加筋壁板的实际工作中受到的剪切应力；

步骤5：根据所述步骤4中的数据，通过公式计算机翼加筋壁板的安全裕度。

2.如权利要求1所述的机翼加筋壁板安全裕度计算方法，其特征在于，所述步骤1中的长桁单元(2)以及覆盖所述长桁单元(2)的蒙皮(1)的参数包括：b_e——覆盖长桁单元的蒙皮的有效蒙皮宽度，t_s为蒙皮厚度；F_2i——长桁的截面面积；

所述步骤1中的长桁单元(2)以及覆盖所述长桁单元(2)的蒙皮(1)的相对之间位置关系参数包括：y_0i——长桁的形心至蒙皮中面的距离。

3.如权利要求1所述的机翼加筋壁板安全裕度计算方法，其特征在于，所述机翼加筋壁板与所述翼盒之间的相对位置关系参数包括：

y_1i——长桁的形心至翼盒的剖面惯性主轴的距离。

4.如权利要求1所述的机翼加筋壁板安全裕度计算方法，其特征在于，通过如下公式计算长桁单元(2)许用压缩应力：

${\mathrm{\σ}}_c={\mathrm{\σ}}_f-\frac{{{\mathrm{\σ}}_f}^2}{4{\mathrm{\π}}^{2}E}{(L^{\′}/\mathrm{\ρ})}^2;$ 其中，

σ_c——长桁单元许用压缩应力；σ_f——长桁压损应力；

E——壁板、长桁材料的压缩弹性模量；

L'——壁板长桁单元的有效柱长度；

ρ——长桁单元的剖面的回转半径；

I——长桁单元的剖面的惯性矩；A——长桁单元的面积。

5.如权利要求1所述的机翼加筋壁板安全裕度计算方法，其特征在于，

所述步骤4中计算长桁单元(2)沿所述长桁单元(2)的轴向的许用承载能力公式具体为：

$\[P\]={\[\mathrm{\σ}\]}_c\×b_e\×t_s+{\[\mathrm{\σ}\]}_c\×F_{2i}\×\frac{\left(y_{1i}-y_{0i}\right)}{y_{1i}},$ 其中，

y_1i——长桁的形心(分析点处)至翼盒的剖面惯性主轴的距离；

b_e——覆盖长桁单元的蒙皮的有效蒙皮宽度；

t_s为蒙皮厚度；F_2i——长桁的截面面积；

y_0i——长桁的形心至蒙皮中面的距离；

[σ]_c——壁板长桁单元许用压缩应力；

[P]——长桁单元沿所述长桁单元的轴向的许用承载能力。

6.如权利要求1所述的机翼加筋壁板安全裕度计算方法，其特征在于，所述步骤4中计算长桁单元(2)沿所述长桁单元(2)的轴向的实际工作载荷的公式具体为：

P_i＝σ_1iF_1i+σ_siF_si；其中，

σ_1i为长桁的应力；

F_1i为长桁的截面面积；

σ_si为蒙皮正应力；

F_si为覆盖所述长桁单元的蒙皮面积；

P_i为长桁单元沿所述长桁单元的轴向的实际工作载荷。

7.如权利要求1所述的机翼加筋壁板安全裕度计算方法，其特征在于，所述步骤5中的计算机翼加筋壁板的安全裕度公式具体为：

$M.S.=\frac{2}{\frac{P_i}{\[P\]}+\sqrt{\frac{{P_i}^2}{\[P\]}+4{\[\frac{\mathrm{\τ}}{{\mathrm{\τ}}_{cr}}\]}^2}}-1.0;$ 其中，

机翼加筋壁板的M.S.为安全裕度；

P_i为长桁单元沿所述长桁单元的轴向的实际工作载荷；

[P]为长桁单元沿所述长桁单元的轴向的许用承载能力；

τ为机翼加筋壁板的实际工作中受到的剪切应力；

τ_cr为机翼加筋壁板的剪切许用值。

8.如权利要求1所述的机翼加筋壁板安全裕度计算方法，其特征在于，所述蒙皮的厚度至少超过1毫米。

9.如权利要求1所述的机翼加筋壁板安全裕度计算方法，其特征在于，所述机翼加筋壁板以金属材料制成。