CN107085631A - 一种基于舱门细节模型的强度校核方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于舱门细节模型的强度校核方法，属于飞机结构强度设计领域。首先建立所述舱门的有限元模型，并根据所述有限元模型数据构建所述舱门的完整结构计算模型和破损安全计算模型；之后进行静力计算，获得节点平衡力计算、板壳单元等效应力计算、梁单元应力恢复点应力计算以及梁单元与杆单元之间的轴向应力计算；进而计算得到适于强度校核方法计算的数据，包括各结构的应力检查工作应力以及各结构的稳定性计算工作应力；同时计算各结构的应力检查许用值及各结构的稳定性计算许用值，最后两者相互比较，得到各结构的安全裕度。本发明提供的方法可以完成基于舱门细节模型的强度校核工作，方法简单可靠，提高了工作效率。

Description

一种基于舱门细节模型的强度校核方法

技术领域

本发明属于飞机结构强度设计领域，尤其涉及一种基于舱门细节模型的强度校核方法。

背景技术

随着民用航空技术的发展，适航条例对于飞机舱门的要求日益严格，相应的对舱门设计提出了更高的要求。一方面舱门结构有限元模型网格划分趋于精细化，但是细节化的有限元计算结果不适用于现有的强度校核方法，不能直接用来进行强度校核，必须进一步处理后，再对结构进行强度校核；另一方面，舱门结构的计算需要考虑单个元件失效的破损安全工况，由于需要考虑的破坏部位较多，造成破损安全计算模型的数量繁多。

以上两个方面的原因造成了有限元计算结果数据信息量急剧增加，同时需要把细节模型计算结果转化为适用于强度校核方法的计算数据，因此需要建立一种新的方法来完成基于舱门细节模型的强度校核工作。

发明内容

本发明提供了一种基于舱门细节模型的强度校核方法，将细节模型计算结果转化为适用于强度校核方法的计算数据，同时给出强度校核结果。

本发明基于舱门细节模型的强度校核方法，主要包括以下步骤:

S1、建立所述舱门的有限元模型，所述有限元模型将所述舱门的各结构划分为若干区域；

S2、根据所述有限元模型数据构建所述舱门的完整结构计算模型和破损安全计算模型；

S3、根据所述完整结构计算模型和所述破损安全计算模型进行静力计算，所述静力计算包括节点平衡力计算、板壳单元等效应力计算、梁单元应力恢复点应力计算以及梁单元与杆单元之间的轴向应力计算；

S4、根据步骤S3的计算结果得到适于强度校核方法计算的数据，所述适于强度校核方法计算的数据包括各结构的应力检查工作应力以及各结构的稳定性计算工作应力；

S5、计算各结构的应力检查许用值及各结构的稳定性计算许用值，并与步骤S4中的对应结构的相应的工作应力比较，得到各结构的安全裕度，所述安全裕度包括应力检查的安全裕度及稳定性安全裕度。

优选的是，步骤S2的所述有限元模型数据至少包括模型的节点数据、单元数据、材料属性数据、单元属性数据以及边界条件数据。

上述方案中优选的是，步骤S2中，所述完整结构计算模型包括所有舱门结构、所有边界约束条件以及以2Δp压力载荷为极限载荷进行计算，其中Δp 为飞机座舱最大压差。

上述方案中优选的是，步骤S2中，所述破损安全计算模型包括以1.15Δ p压力载荷为极限载荷进行计算，其中Δp为飞机座舱最大压差，且对任一种失效情况分别建立所述破损安全计算模型，所述失效情况包括止动接头失效或者梁断开，所述梁包括横梁或纵梁。

上述方案中优选的是，所述步骤S1及S4中的所述结构包括蒙皮、梁腹板、内缘条以及外缘条。

上述方案中优选的是，步骤S4中，所述蒙皮、梁腹板、内缘条以及外缘条的应力检查工作应力为各自结构的所有步骤S1划分的区域的工作应力绝对值的最大值，所述蒙皮及梁腹板的工作应力为步骤S3中计算的板壳单元等效应力，所述外缘条的工作应力为步骤S3中计算的梁单元与杆单元之间的轴向应力，所述内缘条工作应力为步骤S3中计算的梁单元应力恢复点应力。

上述方案中优选的是，步骤S4中，所述蒙皮及梁腹板的稳定性计算工作应力包括压缩应力、剪切应力及弯曲应力；所述内缘条以及外缘条的稳定性计算工作应力为各区域内梁单元与杆单元之间的轴向应力绝对值的最大值。

上述方案中优选的是，步骤S5中，所述稳定性计算许用值包括对内缘条或外缘条采用板元法计算其失稳临近应力，所述板元法为将所述内缘条或外缘条划分为若干板元，分别计算每一板元的失稳临界值，并将所有板元中最小的失稳临界值作为内缘条或外缘条的失稳临界值。

本发明的优点在于：

1)本发明提供的方法可以完成基于舱门细节模型的强度校核工作，规范了舱门强度校核流程，避免了设计工作的人为误差。

2)本发明提供的方法简单可靠，提高设计效率，具有较大的应用价值。

附图说明

图1为本发明基于舱门细节模型的强度校核方法的一优选实施例的流程图。

图2为本发明图1所示实施例的舱门模型的区域划分示意图。

图3为本发明图1所示实施例的梁单元应力恢复点示意图。

图4为本发明图1所示实施例的内缘条分解为板元示意图。

图5为本发明图1所示实施例的外缘条分解为板元示意图。

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。

下面通过实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明提供了一种基于舱门细节模型的强度校核方法，将细节模型计算结果转化为适用于强度校核方法的计算数据，同时给出强度校核结果。

本发明基于舱门细节模型的强度校核方法，如图1所示，主要包括以下步骤:

S1、建立所述舱门的有限元模型，所述有限元模型将所述舱门的各结构划分为若干区域；

S2、根据所述有限元模型数据构建所述舱门的完整结构计算模型和破损安全计算模型；

S3、根据所述完整结构计算模型和所述破损安全计算模型进行静力计算，所述静力计算包括节点平衡力计算、板壳单元等效应力计算、梁单元应力恢复点应力计算以及梁单元与杆单元之间的轴向应力计算；

S4、根据步骤S3的计算结果得到适于强度校核方法计算的数据，所述适于强度校核方法计算的数据包括各结构的应力检查工作应力以及各结构的稳定性计算工作应力；

S5、计算各结构的应力检查许用值及各结构的稳定性计算许用值，并与步骤S4中的对应结构的相应的工作应力比较，得到各结构的安全裕度，所述安全裕度包括应力检查的安全裕度及稳定性安全裕度。

步骤S1为依据舱门结构方案建立有限元模型；为便于后续数据进行批量处理，本发明对有限元模型的单元编号、节点编号及单元方向如下：

1)区域划分：蒙皮以相邻横梁及相邻纵梁之间的所有蒙皮单元作为一个区域、纵梁以相邻横梁之间的所有同一纵梁单元作为一个区域、横梁以相邻纵梁之间的所有同一横梁单元作为一个区域；

2)单元方向：除特殊位置，如转角、连接、过渡等外，蒙皮单元坐标系保持一致；横梁腹板单元坐标系保持一致；纵梁腹板单元坐标系保持一致；横梁缘条单元方向保持一致(内缘条、外缘条单独要求)；纵梁缘条单元方向保持一致(内缘条、外缘条单独要求)；

3)单元编号：要求通过单元编号可直接识别出单元所对应的结构类型、单元所在处横/纵梁相对位置信息，同一区域采用类似的编号；

4)节点编号：方便、易识别即可、建议参考单元编号原则。

其中，单元简化：蒙皮简化为板壳单元，密封带挡条简化为板壳单元，外缘条简化为杆单元，内缘条简化为梁单元，腹板简化为板壳单元，止动接头简化为刚体单元，与机身连接采用弹簧单元。

节点网格：以纵梁平面、横梁平面与舱门理论外形交点为基本节点。每个蒙皮区域内(相邻的纵梁、横梁之间的蒙皮区域)网格尺寸约为30mm×30mm，舱门周边及拐角处蒙皮网格根据内部蒙皮网格数量协调划分，内缘条与外缘条之间的梁腹板网格尺寸约为30mm×24mm。

区域划分：如图2中所示，粗线条为横梁/纵梁平面投影位置，细线条为蒙皮单元边界线，m1～m7分别表示不同的蒙皮区域；h1～h13分别表示不同的横梁区域；z1～z9分别表示不同的纵梁区域。

完成有限元建模后提交NASTRAN输出有限元模型数据文件，数据文件中应包括节点、单元、材料属性、单元属性及边界条件。

以舱门有限元模型数据文件为基础，建立完整结构计算模型和破损安全计算模型，并编制批处理文件。

本实施例中，完整结构计算模型应包含所有舱门结构，所有边界约束条件有效，以2Δp压力载荷为极限载荷进行计算，其中Δp为飞机座舱最大压差。

破损安全计算模型以1.15Δp为极限载荷进行计算，在建立破损安全计算模型时，需要考虑止动接头中的任意一个失效，或者纵梁和横梁任一部位断开，并针对每一钟失效情况建立一个破损安全计算模型：

1)止动失效时，删除模型中止动接头位置的弹簧单元；

2)纵梁或横梁断开时，删除断开部位的内缘条、腹板及外缘条单元。

之后，编制批处理计算文件，建立“*.bat”的空白文本文件，以记事本打开并编辑内容，内容至少应包含但不限于表1中的内容。

表1、批处理文件内容

紧接着，运行批处理文件，对完整结构模型和破损安全模型进行静力计算。

输出静力计算结果数据文件，数据文件中应包含节点平衡力、板壳单元等效应力σ_v(即Von Mises应力)、梁单元应力恢复点应力σ_c、梁单元和杆单元轴向应力σ_axi。

板壳单元Von Mises应力是基于剪切应变能的一种等效应力，其计算公式如下：

式中，σ₁、σ₂、σ₃分别为第一、二、三主应力。

梁单元输出轴向应力σ_axi和应力恢复点应力σ_c，应力恢复点应力是梁的拉/ 压和弯曲共同作用的结果，可通过调整计算控制参数，由NASTRAN直接输出，如图3所示，梁一端固定，另一端受到沿z轴方向的力P，此时梁发生形变，中性面沿着x方向的纤维长度不变，而非中性面上沿着x方向的纤维发生变化，在横剖面c点产生的应力计算公式如下：

首先需要说明的是，横剖面是指图3中c点所在的面，且该面与y-z平面平行，梁中性面是指x-y平面，式中，右边第一项为剖面弯矩载荷引起的弯曲应力，z为c点到梁中性面的距离，M_y为c点所在梁剖面内的弯曲载荷， J_y为梁剖面对y轴的主惯性矩；右边第二项为轴向力N引起的应力，N为轴向力，S为c点所在的上述横剖面的面积。

步骤S4为对计算结果进行处理，包括对蒙皮、梁腹板、内缘条、外缘条分别按照应力检查和稳定性计算需求，得到适用于强度校核方法的计算数据，数据处理方法见表2。

表2、计算结果处理方法

1)按区域划分挑选出蒙皮、梁腹板、内缘条、外缘条的最大工作应力(绝对值)，作为该区域应力检查的工作应力。

对于蒙皮和梁腹板，σ_v＝max(σ_v,1,σ_v,2,…,σ_v,n)；

对于外缘条，σ_axi＝max(σ_axi,1,σ_axi,2,…,σ_axi,n)；

对于内缘条，σ_c＝max(σ_c,1,σ_c,2,…,σ_c,n)。

其中，n为该区域内单元数量。

2)按区域分别挑选出内缘条、外缘条的最大压缩应力，作为内缘条、外缘条稳定性校核的工作应力；

σ_com＝min(σ_axi,1,σ_axi,2,…,σ_axi,n)，其中σ_axi为梁单元或杆单元轴向应力，且σ_axi为负，n为该区域内单元数量。

3)通过单元节点平衡力计算出相应区域的压缩、剪切、弯曲工作载荷，然后根据区域几何参数计算出蒙皮、梁腹板的压缩、剪切、弯曲应力值。

提取区域边界的节点平衡力，当区域边界的与总体坐标系方向不一致时，节点平衡力需先转换到区域边界的局部坐标系下，再向区域边界的中点合成边界总载荷F_x、F_y、F_z、M_x、M_y以及M_z，局部坐标系定义为：原点取区域边界的中点、X向位于区域平面并且垂直于区域边界、Y向沿区域边界方向、Z向垂直于区域平面，轴向力P＝F_x、剪力Q＝F_y和弯矩M＝M_z。

区域边界中点总载荷的合成公式如下：

上述各式中，为单元e在节点e处的单元节点平衡力；为单元e在节点e+1处的单元节点平衡力。以上数据均是区域边界局部坐标系下的数值。

x₀、y₀、z₀为区域边界中点的坐标值；x_e、y_e、z_e为节点e的坐标值；x_e+1、 y_e+1、z_e+1为节点e+1的坐标值。

按下式计算工作应力：

1)轴向应力σ＝P/bt

2)剪应力τ＝Q/bt

3)弯曲应力σ＝M×(b/2)/I

上式中，b为区域边界宽度，t为板单元厚度，I为腹板剖面惯性矩，I＝tb³/12。

步骤S5为计算各结构的应力检查许用值及各结构的稳定性计算许用值，并与步骤S4中的对应结构的相应的工作应力比较。首先对蒙皮、梁腹板、内缘条、外缘条分别计算应力检查和稳定性校核的许用值，许用值计算方法见表3。

表3、许用值计算方法

其中σ_0.2为材料屈服极限，σ_b为材料破坏极限，轴压失稳临界应力σ_cr、剪切失稳临界应力τ_cr、弯曲失稳临界应力σ_bcr和压损应力σ_f。

可以理解的是，材料屈服极限及材料破坏极限均为现有值，看查表获得，本实施例重点对稳定性计算许用值进行说明，具体如下。

1)蒙皮和腹板稳定性计算许用值，包括轴压失稳临界应力σ_cr、剪切失稳临界应力τ_cr和弯曲失稳临界应力σ_bcr，a为区域长度，b为区域宽度，边界支持为四边铰支。

轴压弹性失稳临界应力按公式式中，E为区域材料压缩弹性模量；μ为区域材料弹性泊松比；δ为区域平板厚度；K_c为压缩临界应力系数，按四边铰支的边界支持方式，可以通过查图表获得。

剪切弹性失稳临界应力τ_cr按公式计算。式中，K_s为剪切临界应力系数，

弯曲弹性失稳临界应力按公式计算。k_b为弯曲临界应力系数，按四边铰支的边界支持，可通过查表获得，如表4所示。

表4、四边铰支矩形平板弯曲临界应力系数

a/b	kb	a/b	kb	a/b	kb
						0.25	47.75	0.60	24.13	0.949	26.30
0.30	37.45	0.67	23.88	1.00	25.50
						0.333	38.85	0.70	23.91	1.20	24.10
0.40	29.10	0.80	24.49	1.50	24.10
						0.50	25.53	0.90	25.60	10.00	23.90

2)内缘条、外缘条的稳定性计算许用值。

采用“板元法”计算缘条局部失稳临界应力σ_cr和缘条的压损应力σ_f，计算时，假设梁腹板对缘条提供铰支约束，内缘条分解为板元的方式见图4，外缘条分解为板元的方式见图5。

“板元法”计算缘条失稳临界应力，把缘条剖面划分为若干个板元；按照公式计算单个板元失稳临界值，截止值取σ_0.2，k_c＝0.64；整个剖面的失稳临界应力σ_cr＝min(σ_cr1,σ_cr2,…σ_cri)。

式中：b_i为第i个板元的宽度；δ_i为第i个板元的厚度；σ_cri为第i个板元的失稳临界应力；N为组成剖面的板元总个数。

“板元法”计算压损应力，把缘条剖面划分为若干个板元；按公式计算各板元的压损应力，截止值取σ_0.2；整个剖面的压损应力

式中：b_i为第i个板元的宽度；δ_i为第i个板元的厚度；σ_cri为第i个板元的失稳临界应力；N为组成剖面的板元总个数。

以图4为例，将内缘条划分为圈1、圈2、圈3三部分，b₁、b₂、b₃三个宽度，δ₁、δ₂、δ₃三个厚度，外缘条同理，不再赘述。

最后，对蒙皮、梁腹板、内缘条、外缘条分别按照应力检查和稳定性校核的要求进行强度校核，也就是得到各结构的安全裕度，所述安全裕度包括应力检查的安全裕度及稳定性安全裕度。

1)对于应力检查的安全裕度：

对蒙皮、梁腹板、内缘条、外缘条应力检查的安全裕度的计算公式如下：

式中，σ为检查部位的工作应力，[σ]为应力检查许用值。

2)对于稳定性安全裕度：

内缘条、外缘条稳定性安全裕度：

式中，σ为检查部位的工作应力，min(σ_cr,σ_f)为屈曲应力σ_cr和压损应力σ_f的最小值。

蒙皮、梁腹板稳定性安全裕度：

对蒙皮，计算压剪复合安全裕度；对梁腹板计算压剪复合安全裕度和弯剪复合安全裕度，取二者安全裕度的较小值作为稳定性安全裕度。

压剪复合弹性失稳按四边铰支矩形平板计算，合格判据为：

安全裕度

式中：σ_cr为纯压状态弹性失稳临界应力，τ_cr为纯剪状态弹性失稳临界应力，R_c、R_s必须对应同一种载荷工况。σ为计算正应力，受压时为正，受拉时为负；τ为计算剪应力。

弯剪复合作用下的失稳按四边铰支矩形平板计算，弯剪复合失稳相关方程为：

式中：

安全裕度

本发明的效果包括：

1)本发明提供的方法可以完成基于舱门细节模型的强度校核工作，规范了舱门强度校核流程，避免了设计工作的人为误差。

2)本发明提供的方法简单可靠，提高设计效率，具有较大的应用价值。

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 (8)

1.一种基于舱门细节模型的强度校核方法，其特征在于,包括:

S1、建立所述舱门的有限元模型，所述有限元模型将所述舱门的各结构划分为若干区域；

S2、根据所述有限元模型数据构建所述舱门的完整结构计算模型和破损安全计算模型；

S3、根据所述完整结构计算模型和所述破损安全计算模型进行静力计算，所述静力计算包括节点平衡力计算、板壳单元等效应力计算、梁单元应力恢复点应力计算以及梁单元与杆单元之间的轴向应力计算；

S4、根据步骤S3的计算结果得到适于强度校核方法计算的数据，所述适于强度校核方法计算的数据包括各结构的应力检查工作应力以及各结构的稳定性计算工作应力；

S5、计算各结构的应力检查许用值及各结构的稳定性计算许用值，并与步骤S4中的对应结构的相应的工作应力比较，得到各结构的安全裕度，所述安全裕度包括应力检查的安全裕度及稳定性安全裕度。

2.如权利要求1所述的基于舱门细节模型的强度校核方法，其特征在于：步骤S2的所述有限元模型数据至少包括模型的节点数据、单元数据、材料属性数据、单元属性数据以及边界条件数据。

3.如权利要求1所述的基于舱门细节模型的强度校核方法，其特征在于：步骤S2中，所述完整结构计算模型包括所有舱门结构、所有边界约束条件以及以2Δp压力载荷为极限载荷进行计算，其中Δp为飞机座舱最大压差。

4.如权利要求1所述的基于舱门细节模型的强度校核方法，其特征在于：步骤S2中，所述破损安全计算模型包括以1.15Δp压力载荷为极限载荷进行计算，其中Δp为飞机座舱最大压差，且对任一种失效情况分别建立所述破损安全计算模型，所述失效情况包括止动接头失效或者梁断开，所述梁包括横梁或纵梁。

5.如权利要求1所述的基于舱门细节模型的强度校核方法，其特征在于：所述步骤S1及S4中的所述结构包括蒙皮、梁腹板、内缘条以及外缘条。

6.如权利要求5所述的基于舱门细节模型的强度校核方法，其特征在于：步骤S4中，所述蒙皮、梁腹板、内缘条以及外缘条的应力检查工作应力为各自结构的所有步骤S1划分的区域的工作应力绝对值的最大值，所述蒙皮及梁腹板的工作应力为步骤S3中计算的板壳单元等效应力，所述外缘条的工作应力为步骤S3中计算的梁单元与杆单元之间的轴向应力，所述内缘条工作应力为步骤S3中计算的梁单元应力恢复点应力。

7.如权利要求5所述的基于舱门细节模型的强度校核方法，其特征在于：步骤S4中，所述蒙皮及梁腹板的稳定性计算工作应力包括压缩应力、剪切应力及弯曲应力；所述内缘条以及外缘条的稳定性计算工作应力为各区域内梁单元与杆单元之间的轴向应力绝对值的最大值。

8.如权利要求1所述的基于舱门细节模型的强度校核方法，其特征在于：步骤S5中，所述稳定性计算许用值包括对内缘条或外缘条采用板元法计算其失稳临近应力，所述板元法为将所述内缘条或外缘条划分为若干板元，分别计算每一板元的失稳临界值，并将所有板元中最小的失稳临界值作为内缘条或外缘条的失稳临界值。