CN108052710A - 一种飞机复合材料球面框结构设计方法 - Google Patents

一种飞机复合材料球面框结构设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种飞机复合材料球面框结构设计方法，属于飞机气密框结构设计技术领域。包括：步骤一、设定球面框结构；步骤二、计算所述球面框气密载荷；步骤三、计算作用在环框上的挤压载荷、径向载荷以及轴向载荷；步骤四、计算所述规则球皮的半径、高度以及初步厚度；步骤五、计算所述规则球皮的面积和初步重量；步骤六、计算所述规则球皮的子午圈角；步骤七、选定所述规则球皮的层合板类型；步骤八、确定准各项层合板的层数；步骤九、确定每个层合板中球皮铺层的数量；步骤十、计算所述规则球皮的最终厚度及最终重量；步骤十一、计算加强筋的设计参数；步骤十二、计算环框腹板厚度；步骤十三、建立有限元模型，对环框进行结构优化。

Description

一种飞机复合材料球面框结构设计方法
技术领域
本发明属于飞机气密框结构设计技术领域，具体涉及一种飞机复合材料球面框结构设计方法。
背景技术
飞机上的气密框，分别位于机头的和后机身，是飞机气密区与非气密区的分界面。气密框承受机舱内部的气压载荷，为乘客提供一个安全舒适的气压环境。机头的气密框还能为雷达提供安装位置，尾部的气密框可能为系统管路和导线提供通道和固定点。
位于后机身的气密框一般分为平板框，球面框和组合型气密框。球面框被认为是飞机最主要的结构部件之一。平板框承受气密载荷的形式与球面框不同，导致重量远远大于球面框。大型民用飞机上，一般采用球面框，这样可以提高结构的使用效率，在满足结构强度和刚度要求的前提下，降低飞机结构重量，制造工艺成熟，成本低。
从受力特性看，球面框最好做成半球，即球面半径与机身半径一致。此时框板上的均匀拉应力正好全部、直接地传给机身壳体蒙皮。但半球形状使机身容积利用率低，球面前、后都较难安放有效载重，更难以装满，且工艺上制作也较复杂。因此实际上在大飞机上一般也常采用球面的一部分作为球面框的外形。
发明内容
本发明的目的：为了解决上述问题，本发明提出了一种飞机复合材料球面框结构设计方法，选择合适的球面作为球面框的外形，能够使球面框在客舱压力作用下，球皮上应力均布，与传统的平板气密框相比，重量更轻，受力更加合理。
本发明的技术方案：一种飞机复合材料球面框结构设计方法，包括以下步骤：
步骤一、设定球面框包括：规则的球皮以及用于飞机蒙皮与球皮连接的环框，所述规则球皮表面均布设置有加强筋；
步骤二、计算所述球面框气密载荷，公式如下：
P＝101325(1-2.2558×10-5×Hp)5.2559 (1)
ΔP＝Pcabin-Pceiling (2)
P′＝2ΔP (3)
其中，P为压强，Hp为飞行高度，ΔP为客舱压力差，Pcabin为机身内部压强，Pceiling为飞行过程中机身外部压强，P’为设计时使用的气密载荷；
步骤三、计算作用在环框上的挤压载荷FBR、径向载荷NBR以及轴向载荷N1；
其中，为球面框球皮的子午圈角，子午圈角的定义为球皮与球面框框平面的夹角，R为球面框球皮的半径，RC为飞机机身的半径；
步骤四、计算所述规则球皮的半径R、高度H以及初步厚度t；
其中，ft是球皮的切向应力；是球皮的环向应力；作为复合材料球面框，在结构初步设计时取t是球面框球皮的厚度；
步骤五、计算所述规则球皮的面积S和初步重量m；
S＝2πRH (10)
步骤六、计算所述规则球皮的子午圈角；
其中，ρ为材料密度；
步骤七、选定所述规则球皮的层合板类型；
根据规则球皮承受双向拉伸膜应力，球皮层合板选取对称均衡层合板+准各项同性层合板；
步骤八、确定准各项层合板的层数；
α＝π/N (13)
步骤九、确定每个层合板中球皮铺层的数量；
其中，np最终取值为4的倍数；
步骤十、计算所述规则球皮的最终厚度tfinal及最终重量M；
tfinal＝np×tply (15)
M＝2πRcHctfinalρ (16)
步骤十一、计算加强筋的设计参数；
其中，aratio∈[18 22]and bratio∈[6 8]；
ts＝tskin
hs＝bw＝aratio×ts
bf＝bratio×ts
bc＝bw-2t
θ＝60°
步骤十二、计算环框腹板厚度；
其中，
tp为环框腹板厚度，a为简化固支板的长度，b为简化固支板的宽度，n 为长度与宽度的比值，E为材料弹性模量，σα为材料许用应力；
步骤十三、建立有限元模型，对环框进行结构优化，调整环框腹板厚度和立筋的位置，保证球面框球皮应力处处相同。
优选地，所述步骤八中，各个铺层之间的角度相等，此处N大于等于3，层合板的每个方向铺层都有对称铺层；对于给定的材料，所有准各项同性层合板在各个方向上的弹性模量相等，与N值无关。
优选地，所述准各项同性层合板的弹性模量表达形式与各项同性材料相同，由以下公式确定：
Ex＝Ey＝Eθ
G＝E/2(1+v)。
优选地，所述步骤十三中，根据球皮上开孔的位置和数量，决定是否在球皮上增加加强筋，以及加强筋的数量和位置。
优选地，所述步骤一中，所述规则球皮的凸面或凹面上布置加强筋，所述加强筋截面呈帽型，且内部填充有泡沫型。
优选地，所述规则球皮与所述加强筋固化成型为一体结构。
本发明技术方案的有益效果：本发明一种飞机复合材料球面框结构设计方法，能够选择出合适的球面作为球面框的外形，可以有效提高结构的使用效率，降低飞机结构重量，制造工艺成熟，成本低。
附图说明
图1为本发明飞机复合材料球面框结构设计方法的一优选实施例的子午圈角示意图；
图2为本发明飞机复合材料球面框结构设计方法的一优选实施例的环框受力分析示意图；
图3为本发明飞机复合材料球面框结构设计方法的一优选实施例的子午圈角和球皮理论重量的关系示意图；
图4为本发明飞机复合材料球面框结构设计方法的一优选实施例的球面框的结构示意图；
图5为图4所示实施例的A-A剖向示意图；
图6为本发明飞机复合材料球面框结构设计方法的一优选实施例的加强筋设计参数示意图；
其中，1-球皮，2-环框，3-加强筋，4-泡沫芯。
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。
本发明一种飞机复合材料球面框结构设计方法，包括以下步骤：
1)、设定球面框包括：规则的球皮以及用于飞机蒙皮与球皮连接的环框，所述规则球皮表面均布设置有加强筋；
机身的功能是为装载乘客和货物提供空间。飞机的机身截面一般都是复杂的双泡形截面。球面框主要承受机身的气密载荷，规则球冠外形的球面框在气密载荷下应力和位移处处相等，这是最为理想的球面框外形。规则球冠外形的球面框也使球皮易于制造。球皮和机身蒙皮之间通过一个环框连接。
如图4至图5所示，一种复合材料球面框结构，由复合材料规则球皮1、环框2及位于球皮凸面或凹面的帽型加强筋3组成；
本实施例中加强筋3数量不定，本案假定为8个；复合材料规则球皮1 是一个大的整块，在球形模具上铺层。为了增加球皮1的刚度，在规则球皮凸面或凹面上布置帽型加强筋3。规则球皮1和帽型加强筋3通过二次固化成型，泡沫芯11填充在帽型加强筋3中。规则球皮1与机身壁板通过环框3对接。
2)、球面框气密载荷由以下公式确定：
P＝101325(1-2.2558×10-5×Hp)5.2559
ΔP＝Pcabin-Pceiling
p'＝2ΔP
此处，P为压强，Hp为飞行高度，ΔP为客舱压力差，Pcabin为机身内部压强，Pceiling为飞行过程中机身外部压强，P’为设计时使用的气密载荷。
3)、作用在环框上的挤压载荷由以下公式确定：
此处，为球面框球皮的子午圈角，子午圈角的定义为球皮与球面框框平面的夹角。R为球面框球皮的半径，Rc为飞机机身的半径，具体见图1。
4)、作用在环框上的径向载荷由以下公式确定，如图2所示：
5)、作用在环框上的轴向载荷由以下公式确定：
6)、球面框球皮半径由以下公式确定：
7)、球面框球皮高度由以下公式确定：
8)、球面框球皮厚度由以下公式确定：
此处ft是球皮的切向应力；是球皮的环向应力；作为复合材料球面框，在结构初步设计时取t是球面框球皮的厚度。
9)、球面框球皮的面积由以下公式确定：
S＝2πRH
10)、球面框球皮重量由以下公式确定：
11)、球面框球皮子午圈角由以下公式确定：
此处，ρ为材料密度。图3所示为球面框球皮子午圈角和球皮理论重量的关系，可以得到子午圈角的时候，球皮的理论重量最小。但是复合材料球面框的子午圈角还和铺层类型有关系，因此设计时最佳子午圈角不一定为 60°。
12)、根据球皮承受双向拉伸膜应力，球皮层合板选取对称均衡层合板+ 准各项同性层合板：
此处，
准各项同性层合板的层数由以下公式确定：
α＝π/N
各个铺层之间的角度相等，此处N大于等于3，层合板的每个方向铺层都有对称铺层。对于给定的材料，所有准各项同性层合板在各个方向上的弹性模量相等，与N值无关。
准各项同性层合板的弹性模量表达形式与各项同性材料相似，由以下公式确定：
Ex＝Ey＝Eθ
G＝E/2(1+v)
球面框球皮铺层数量由以下公式确定：
其中，np最后取4的倍数，例如：np算得5，则最终取8，最终要取4 的倍数。
13)、球面框球皮最终厚度由以下公式确定：
tfinal＝np×tply
14)、球面框球皮最终重量由以下公式确定：
M＝2πRcHctfinalρ
15)、帽形加强筋参数(如图6所示)由以下公式确定：
其中，aratio∈[18 22]and bratio∈[6 8]，ts＝tskin，hs＝bw＝aratio× ts，bf＝bratio×ts，bc＝bw-2t，θ＝60；
16)、球面框与机身对接环框腹板厚度由以下公式确定：
此处，tp为环框腹板厚度，a为简化固支板的长度，b为简化固支板的宽度，n为长度与宽度的比值，E为材料弹性模量，σα为材料许用应力。
17)、建立有限元模型，对环框进行结构优化。调整环框腹板厚度和立筋的位置，保证球面框球皮应力处处相同。
18)、根据球皮上开孔的位置和数量，决定是否在球皮上增加加强筋，以及加强筋的数量和位置。
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)

1.一种飞机复合材料球面框结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、设定球面框包括：规则的球皮(1)以及用于飞机蒙皮与球皮连接的环框(2)，所述规则球皮表面均布设置有加强筋(3)；
步骤二、计算所述球面框气密载荷，公式如下：
P＝101325(1-2.2558×10-5×Hp)5.2559 (1)
ΔP＝Pcabin-Pceiling (2)
P’＝2ΔP (3)
其中，P为压强，Hp为飞行高度，ΔP为客舱压力差，Pcabin为机身内部压强，Pceiling为飞行过程中机身外部压强，P’为设计时使用的气密载荷；
步骤三、计算作用在环框上的挤压载荷FBR、径向载荷NBR以及轴向载荷N1；
其中，为球面框球皮的子午圈角，子午圈角的定义为球皮与球面框框平面的夹角，R为球面框球皮的半径，RC为飞机机身的半径；
步骤四、计算所述规则球皮的半径R、高度H以及初步厚度t；
其中，ft是球皮的切向应力；是球皮的环向应力；作为复合材料球面框，在结构初步设计时取t是球面框球皮的厚度；
步骤五、计算所述规则球皮的面积S和初步重量m；
S＝2πRH (10)
步骤六、计算所述规则球皮的子午圈角；
其中，ρ为材料密度；
步骤七、选定所述规则球皮的层合板类型；
根据规则球皮承受双向拉伸膜应力，球皮层合板选取对称均衡层合板+准各项同性层合板；
步骤八、确定准各项层合板的层数；
α＝π/N (13)
步骤九、确定每个层合板中球皮铺层的数量；
<mrow> <msub> <mi>n</mi> <mi>p</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>I</mi> <mi>N</mi> <mi>T</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <msub> <mi>t</mi> <mi>p</mi> </msub> <msub> <mi>t</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mi>l</mi> <mi>y</mi> </mrow> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>14</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，np最终取值为4的倍数；
步骤十、计算所述规则球皮的最终厚度tfinal及最终重量M；
tfinal＝np×tply (15)
M＝2πRcHctfinalρ (16)
步骤十一、计算加强筋的设计参数；
<mrow> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>a</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>a</mi> <mi>t</mi> <mi>i</mi> <mi>o</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>b</mi> <mi>w</mi> </msub> <msub> <mi>t</mi> <mi>s</mi> </msub> </mfrac> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>a</mi> <mi>n</mi> <mi>d</mi> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <msub> <mi>b</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>a</mi> <mi>t</mi> <mi>i</mi> <mi>o</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>b</mi> <mi>f</mi> </msub> <msub> <mi>t</mi> <mi>s</mi> </msub> </mfrac> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>17</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，aratio∈[1822]and bratio∈[68]；
ts＝tskin
hs＝bw＝aratio×ts
bf＝bratio×ts
bc＝bw-2t
θ＝60°
步骤十二、计算环框腹板厚度；
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其中，
<mrow> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>b</mi> <mi>a</mi> </mfrac> </mrow>
tp为环框腹板厚度，a为简化固支板的长度，b为简化固支板的宽度，n为长度与宽度的比值，E为材料弹性模量，σα为材料许用应力；
步骤十三、建立有限元模型，对环框进行结构优化，调整环框腹板厚度和立筋的位置，保证球面框球皮应力处处相同。
2.根据权利要求1所述的飞机复合材料球面结构设计方法，其特征在于：所述步骤八中，各个铺层之间的角度相等，此处N大于等于3，层合板的每个方向铺层都有对称铺层；对于给定的材料，所有准各项同性层合板在各个方向上的弹性模量相等，与N值无关。
3.根据权利要求2所述的飞机复合材料球面结构设计方法，其特征在于：所述准各项同性层合板的弹性模量表达形式与各项同性材料相同，由以下公式确定：
Ex＝Ey＝Eθ
G＝E/2(1+ν)。
4.根据权利要求1所述的飞机复合材料球面结构设计方法，其特征在于：所述步骤十三中，根据球皮上开孔的位置和数量，决定是否在球皮上增加加强筋，以及加强筋的数量和位置。
5.根据权利要求1所述的飞机复合材料球面结构设计方法，其特征在于：所述步骤一中，所述规则球皮(1)的凸面或凹面上布置加强筋(3)，所述加强筋(3)截面呈帽型，且内部填充有泡沫型(4)。
6.根据权利要求5所述的飞机复合材料球面结构设计方法，其特征在于：所述规则球皮(1)与所述加强筋(3)固化成型为一体结构。
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