CN106599485B - 一种框梁整体件优化设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种框梁整体件的优化设计方法，采用基于电子束熔丝沉积成形技术，具体包括：步骤一：依据设计输入给定的框梁结构设计许用值对零件的结构尺寸进行优化，得到优化后的尺寸参数；步骤二：根据尺寸参数，确定不同部段受力方向，并结合铺丝方向的力学最优，设计零件各部段的铺丝路径与受力方向一致；步骤三：根据设计许用值，对高于设计许用值的应力区域进行降低应力集中；步骤四：若所述框梁整体件为高长度比、刚度突变的零件，则将所述所述框梁整体先分为若干段同步成型，再集中成型连接。通过本发明的框梁整体件的优化设计方法，可保证基于电子束熔丝沉积成形技术的框梁整体件的工艺可实现性，并同时满足强度、刚度、寿命等设计要求。

Description

一种框梁整体件优化设计方法
技术领域
本发明属于飞机结构设计领域，尤其涉及一种框梁整体件优化设计方法。
背景技术
传统飞机机身结构的主承力骨架是由加强框横向构件和机身大梁纵向构件通过机械连接组合而成。这种组合结构具有如下不足：连接零件、紧固件、工艺下陷多，重量代价大；连接区易产生应力集中，导致结构疲劳失效；多种零件需要多种模具、工具制造，装配工序繁琐，生产周期长，成本高。这些因素都是制约飞机机身结构设计发展的瓶颈。
与常规组合骨架相比，采用电子束熔丝沉积成形技术整体化制造的框梁整体件，能大幅减少连接件，规避连接区的下陷，减轻结构重量，提高结构完整性，缩短制造周期，降低研制成本，为克服上述制约因素提供了可能。
但是，针对电子束熔丝沉积成形技术制造的框梁整体件，目前缺少一种行之有效的优化设计方法，以确保实现该类零件的实际工程应用。
发明内容
本方面结合电子束熔丝沉积成形技术特点与框梁整体件承载形式，提供一种框梁整体件优化设计方法，以保证上述框梁整体件既具有工艺可实现性、又满足设计要求，突破传统组合结构设计的技术瓶颈，确保新一代飞机机体结构的研制满足轻质高效、长寿命、低成本、快速响应等要求。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种框梁整体件优化设计方法，包括
1、依据设计输入给定的结构设计许用值对零件的结构尺寸参数(零件的缘条筋条高度、厚度，腹板厚度等)进行优化，以便于准确的分析零件的受力情况。
2、依据第1步优化出的尺寸参数，通过有限元软件、工程算法等分析手段，确定不同部段的主受力方向，考虑电子束熔丝沉积成形零件沿铺丝方向的力学性能最优，设计零件各部段的铺丝路径与其主受力方向一致。
3、依据设计输入给定的结构设计许用值，对零件高于该许用值的应力区进行大圆角过渡等细节设计，以降低刚度突变带来的应力集中，保证零件的疲劳性能满足要求。
4、对于高长细比、刚度突变剧烈的零件，为最大限度降低其成形过程中的变形，控制成形质量，采用先分段同步成形，再集中成形连接的方法：首先，要求工艺方依据设计输入中的零件最大允许变形量给出在该变形量范围内所能成形的零件的最大长度尺寸；然后依据该尺寸，以分段数量最少为原则，优先选取低应力区作为成形连接区，对零件进行分段。
本发明的框梁整体件的优化设计方法既具有工艺可实现性、又满足设计要求，突破了传统组合结构设计的技术瓶颈，确保新一代飞机机体结构的研制满足轻质高效、长寿命、低成本、快速响应等要求。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1为本发明一实施例的框梁整体件及其铺丝路径示意图；
图2为本发明一实施例的分段成形集中连接示意图。
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型的，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 有作出创造型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。
如图1所示为根据本发明的框梁整体件优化设计方法设计的某框梁整体件，其由原有的机身上大梁1、机身加强框2、尾梁左内侧壁3、尾梁右内侧壁4共4部分零件整体成形，代替了传统的机械连接组合结构。
本发明的框梁整体件的优化设计方法采用了基于电子束熔丝沉积成形技术，其优化设计流程具体包括
步骤一：依据全机有限元初步分析结果，通过HyperSizer等优化手段对框梁整体件结构参数进行优化，将优化结果带入有限元模型进行细节计算。
步骤二：依据有限元细节计算的结果确定框梁整体件各部段的主受力方向，考虑电子束熔丝沉积成形零件沿铺丝方向的力学性能最优，因此设计框梁整体件各部段的铺丝路径应与其主受力方向一致。如图1所示。
步骤三：依据有限元分析结果，对该框梁整体件的高应力区(如图2所示)进行大圆角过渡等细节优化设计。
步骤四：该框梁整体件具有高长细比、大刚度突变等特点，应采用先分段同步成形，再集中成形连接的方法。该零件的长度尺寸为2.9m，而工艺给出的在最大允许变形量范围内成形零件的最大尺寸为1.1m，因此将该框梁整体件分为3段，并依据的有限元分析结果，选取低应力区作为成形连接区，如图2所示。
通过上述优化设计流程方法，可保证基于电子束熔丝沉积成形技术的框梁整体件的工艺可实现性，并同时满足强度、刚度、寿命等设计要求。
本发明的框梁整体优化件及其优化设计方法，可保证基于电子束熔丝沉积成形技术的框梁整体件的工艺可实现性，并同时满足强度、刚度、寿命等设计要求。
以上所述，仅为本发明的最优具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种框梁整体件的优化设计方法，其特征在于，所述框梁整体件的优化设计方法采用基于电子束熔丝沉积成形技术，具体包括：
步骤一：依据设计输入给定的框梁结构设计许用值对零件的结构尺寸进行优化，得到优化后的尺寸参数；
步骤二：依据步骤一得到的尺寸参数，确定不同部段的主要受力方向，并结合电子束熔丝沉积成型零件沿铺丝方向的力学最优，设计零件各部段的铺丝路径与主要受力方向一致；
步骤三：依据设计输入给定的结构设计许用值，对高于所述结构设计许用值的应力区域进行降低应力集中；
步骤四：若所述框梁整体件为高长度比、刚度突变的零件，则将所述框梁整体件先分为若干段同步成型，再集中成型连接。
2.根据权利要求1所述的框梁整体件的优化设计方法，其特征在于，降低应力集中的措施为圆角设计。
3.根据权利要求1所述的框梁整体件的优化设计方法，其特征在于，步骤四中，分段原则为：根据工艺设计输入中的零件最大允许变形量给出在该变形量范围内所能成形的零件的最大长度尺寸，且分段数量最少。
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