CN107463746A - 一种气密载荷下机身隔框环向应力计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气密载荷下机身隔框环向应力计算方法，属于飞机结构力学技术领域。所述方法包括：首先将所述机身隔框处的长桁横截面面积分配到机身蒙皮上,获得组合厚度tx；进而根据组合厚度tx计算得到隔框单位周长上的径向分布力T；之后，根据径向分布力T计算所述机身隔框在增压载荷作用下的轴向应力σ；再结合机身隔框与蒙皮组合后的截面形心到机身蒙皮中性面的距离e计算所述机身隔框与蒙皮组合后的增压载荷作用下的弯矩M；最后，计算在弯矩M作用下所述机身隔框内外缘的弯曲应力。本发明能够快速准确的获得普通框在座舱增压载荷下的轴向应力，改变了以往通过有限元建模分析获得普通框应力的常规方法，提高了工作效率。
Description
技术领域
本发明属于飞机结构力学技术领域，具体涉及一种气密载荷下机身隔框环向应力计算方法。
背景技术
普通框是运输类飞机机身结构中一种典型的结构部件，普通框在结构上的主要作用是维持机身的形状，提高长桁的压缩稳定性并连同长桁一起提高蒙皮的稳定性。从受载情况来看，普通框不承受大的集中载荷，其所承受的载荷主要为如气密载荷、气动载荷、惯性载荷等分布载荷，同时还承受人员、货物等商载以及其上安装的系统支架所产生的较小的集中载荷。其中，气密载荷是普通框最严酷的载荷情况之一。
目前，对机身普通框的应力分析一般采用有限元分析方法，工程计算方法也仅限于计算机身总体弯曲时普通框的应力；对于气密载荷下机身普通框的应力计算并没有有效的工程计算方法。
因此，需要发展一种能够准确获得气密载荷下机身普通框应力的工程计算方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种气密载荷下机身隔框环向应力计算方法，至少解决上述背景技术中存在的一个问题，这里的机身隔框主要指上述提及的相对于加强框而言的，具有维持机身形状的普通框。
本发明气密载荷下机身隔框环向应力计算方法，主要包括以下步骤：
步骤一、将所述机身隔框处的长桁横截面面积分配到机身蒙皮上,获得组合厚度tx；
步骤二、根据组合厚度tx计算得到隔框单位周长上的径向分布力T；
步骤三、根据径向分布力T计算所述机身隔框在增压载荷作用下的轴向应力σ；
步骤四、获取所述机身隔框与蒙皮组合后的截面形心到机身蒙皮中性面的距离e；
步骤五、根据轴向应力σ以及距离e计算所述机身隔框与蒙皮组合后的增压载荷作用下的弯矩M；
步骤六、计算在弯矩M作用下所述机身隔框内外缘的弯曲应力。
优选的是，所述步骤一中,获取两个相邻长桁间距RΦ、长桁横截面面积F2以及蒙皮厚度t,所述组合厚度tx为:
优选的是，所述步骤二中，径向分布力T根据以下公式求取：
其中，
其中，J′为一根长桁与宽为RΦ的附加蒙皮的横截面惯性矩，F1为隔框横截面面积，μ为蒙皮材料泊松比，R为机身半径，p为机身气密载荷，L为沿机身轴向两个所述机身隔框之间的长度。
优选的是，在所述步骤三中，所述轴向应力σ为：
其中，F1为隔框横截面面积，R为机身半径。
优选的是，所述步骤五中,弯矩M为:
M＝σ·F1·e。
优选的是，所述步骤六中,机身隔框内缘的环向应力σin为：
机身隔框外缘的环向应力σout为：
其中，If为机身隔框截面的惯性矩，y1为机身隔框内缘到机身隔框与蒙皮组合后的截面形心之间的距离，y2为机身隔框外缘到机身隔框与蒙皮组合后的截面形心之间的距离。
本发明提出了一种计算气密载荷下机身隔框环向应力的工程计算方法，能够快速准确的获得普通框在座舱增压载荷下的轴向应力，改变了以往通过有限元建模分析获得普通框应力的常规方法，提高了工作效率。
附图说明
图1为按照本发明气密载荷下机身隔框环向应力计算方法的一优选实施例的气密载荷下机身隔框的受力示意图。
图2为本发明图1所示实施例的RΦ的取值示意图。
图3为本发明图1所示实施例的机身隔框形心位于蒙皮中性面时的结构关系示意图。
图4为本发明图1所示实施例的距离e取值示意图。
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。
本发明气密载荷下机身隔框环向应力计算方法，主要包括以下步骤：
步骤一、将所述机身隔框处的长桁横截面面积分配到机身蒙皮上,获得组合厚度tx；
步骤二、根据组合厚度tx计算得到隔框单位周长上的径向分布力T；
步骤三、根据径向分布力T计算所述机身隔框在增压载荷作用下的轴向应力σ；
步骤四、获取所述机身隔框与蒙皮组合后的截面形心到机身蒙皮中性面的距离e；
步骤五、根据轴向应力σ以及距离e计算所述机身隔框与蒙皮组合后的增压载荷作用下的弯矩M；
步骤六、计算在弯矩M作用下所述机身隔框内外缘的弯曲应力。
参考图1所示的增压载荷作用下的机身，取出两隔框之间的壁板，在气密载荷及两端隔框给予的分布径向载荷T及分布力矩M的联合作用下，其端部各点径向位移应等于隔框在分布径向载荷2T作用下的位移；隔框前后两侧机身转角相同，且分布力矩M也相同。根据以上条件，可计算得到隔框单位周长上的径向分布力T为：
上述公式的tx是指组合厚度，首先所述步骤一中，如图2所示，获取两个相邻长桁间距RΦ、长桁横截面面积F2以及蒙皮厚度t,所述组合厚度tx为:
可以理解的是，参考图2，长桁的截面面积F2完全分配到长桁间距RΦ上，从而达到了等效替代的技术效果，使结果更精准。
本实施例中，上述径向分布力T中涉及的中间参数如下所示：
其中，J′为一根长桁与宽为RΦ的附加蒙皮的横截面惯性矩，F1为隔框横截面面积，μ为蒙皮材料泊松比，R为机身半径，p为机身气密载荷，L为沿机身轴向两个所述机身隔框之间的长度。
圆形隔框在气密载荷作用下，其横截面的弯矩和剪力为零，只有恒值轴向力，所以在所述步骤三中，机身隔框在增压载荷作用下的轴向应力σ为：
其中，F1为隔框横截面面积，R为机身半径。
(3)上述应力结果是普通框形心位于蒙皮中性面时的结果，如图3所示，而实际情况如图4所示，机身隔框位于蒙皮一侧，为此，需要进行图3到图4的转变，所以在所述步骤五中,根据普通框组合蒙皮的截面形心到机身蒙皮中性面的距离e，计算得到普通框在增压载荷作用下的弯矩M为：
M＝σ·F1·e。
最后，计算弯矩M作用下普通框内外缘的弯曲应力：
具体的，所述步骤六中,机身隔框内缘的环向应力σin为：
机身隔框外缘的环向应力σout为：
其中，If为机身隔框截面的惯性矩，y1为机身隔框内缘到机身隔框与蒙皮组合后的截面形心之间的距离，y2为机身隔框外缘到机身隔框与蒙皮组合后的截面形心之间的距离。
本发明提出了一种计算气密载荷下机身普通框(机身隔框)应力的工程计算方法，能简单快速的获得气密载荷下机身普通框的应力结果，代替了以往只能通过有限元建模分析来得到气密载荷下机身普通框应力结果的传统方式，简化了分析过程，极大提高了工作效率。
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 (6)
1.一种气密载荷下机身隔框环向应力计算方法，其特征在于，包括：
步骤一、将所述机身隔框处的长桁横截面面积分配到机身蒙皮上,获得组合厚度tx；
步骤二、根据组合厚度tx计算得到隔框单位周长上的径向分布力T；
步骤三、根据径向分布力T计算所述机身隔框在增压载荷作用下的轴向应力σ；
步骤四、获取所述机身隔框与蒙皮组合后的截面形心到机身蒙皮中性面的距离e；
步骤五、根据轴向应力σ以及距离e计算所述机身隔框与蒙皮组合后的增压载荷作用下的弯矩M；
步骤六、计算在弯矩M作用下所述机身隔框内外缘的弯曲应力。
2.如权利要求1所述的气密载荷下机身隔框环向应力计算方法，其特征在于，所述步骤一中,获取两个相邻长桁间距RΦ、长桁横截面面积F2以及蒙皮厚度t,所述组合厚度tx为:
<mrow>
<msub>
<mi>t</mi>
<mi>x</mi>
</msub>
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<mfrac>
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</mrow>
</mfrac>
<mo>.</mo>
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3.如权利要求2所述的气密载荷下机身隔框环向应力计算方法，其特征在于，所述步骤二中，径向分布力T根据以下公式求取：
<mrow>
<mi>T</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
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<mi>p</mi>
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</mfrac>
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</msub>
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</mfrac>
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<mrow>
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<mo>(</mo>
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<mi>cosh</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
<mi>&beta;</mi>
<mo>-</mo>
<msup>
<mi>cos</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
<mi>&beta;</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
</mfrac>
</mrow>
其中，
其中，J′为一根长桁与宽为RΦ的附加蒙皮的横截面惯性矩，F1为隔框横截面面积，μ为蒙皮材料泊松比，R为机身半径，p为机身气密载荷，L为沿机身轴向两个所述机身隔框之间的长度。
4.如权利要求1所述的气密载荷下机身隔框环向应力计算方法，其特征在于，在所述步骤三中，所述轴向应力σ为：
<mrow>
<mi>&sigma;</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>T</mi>
<mi>R</mi>
</mrow>
<msub>
<mi>F</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
</mfrac>
<mo>,</mo>
</mrow>
其中，F1为隔框横截面面积，R为机身半径。
5.如权利要求1所述的气密载荷下机身隔框环向应力计算方法，其特征在于，所述步骤五中,弯矩M为:
M＝σ·F1·e。
6.如权利要求1所述的气密载荷下机身隔框环向应力计算方法，其特征在于，所述步骤六中,机身隔框内缘的环向应力σin为：
<mrow>
<msub>
<mi>&sigma;</mi>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mi>n</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
<mi>&sigma;</mi>
<mo>+</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>M</mi>
<mi>y</mi>
<mn>1</mn>
</mrow>
<msub>
<mi>I</mi>
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</msub>
</mfrac>
<mo>;</mo>
</mrow>
机身隔框外缘的环向应力σout为：
<mrow>
<msub>
<mi>&sigma;</mi>
<mrow>
<mi>o</mi>
<mi>u</mi>
<mi>t</mi>
</mrow>
</msub>
<mo>=</mo>
<mi>&sigma;</mi>
<mo>-</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mi>M</mi>
<mi>y</mi>
<mn>2</mn>
</mrow>
<msub>
<mi>I</mi>
<mi>f</mi>
</msub>
</mfrac>
<mo>;</mo>
</mrow>
1
其中，If为机身隔框截面的惯性矩，y1为机身隔框内缘到机身隔框与蒙皮组合后的截面形心之间的距离，y2为机身隔框外缘到机身隔框与蒙皮组合后的截面形心之间的距离。
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