CN108959822B - 一种减小热结构内部热应力作用的设计方法 - Google Patents

一种减小热结构内部热应力作用的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明方法涉及到飞机结构的设计与优化,本发明的减小热结构内部热应力作用的设计方法，包括步骤一、分析所述热结构所处温度环境下产生的热应力；步骤二、选取所述热结构受到的最大机械应力；步骤三、当所述热结构的热应力的方向与所述热结构受到的最大机械应力的方向相同时，改变或调整所述热结构连接区的连接形式；步骤四、分析所述热机构的连接强度与所述热结构的线膨胀系数的差异引起的结构变形，通过计算分析，改变或调整所述热结构连接区钉间距的大小和钉头的形状；步骤五、验证改变或调整后所述热结构的线膨胀系数的差异引起的结构变形。本方法的应用改善了热结构内部的受力状态，提高了其稳定性，增加了构件的使用寿命。

Description

一种减小热结构内部热应力作用的设计方法
技术领域
本发明方法涉及飞机设计领域，具体涉及到飞机结构的设计与优化。
背景技术
随着高超声速作战飞机技术的发展，飞行马赫数的提高使飞行器的气动加热逐步成为一个必须考虑的问题。如果某一结构是由具有不同线膨胀系数的结构材料机械连接而成，在高温作用下，即使不出现温度梯度，也会有附加应力出现，工程上称之为热应力。在热结构内部，热应力与原有机械载荷引起的机械应力往往叠加出现，使结构受载更加严重，严重影响热结构的使用寿命，同时也影响着飞机的飞行安全。
发明内容
本发明的减小热结构内部热应力作用的设计方法，旨在解决或克服现有技术中存在的至少一项问题。
本发明的减小热结构内部热应力作用的设计方法，包括：
步骤一、根据所述热结构的选材和连接形式，分析所述热结构所处温度环境下产生的热应力；
步骤二、分析所述热结构在外载荷作用时受到的机械应力，选取所述热结构受到的最大机械应力；
步骤三、分析所述热结构的热应力的方向与所述热结构受到的机械应力的方向，当所述热结构的热应力的方向与所述热结构受到的最大机械应力的方向相同时，改变或调整所述热结构连接区的连接形式，当所述热结构的热应力的方向与所述热结构受到的机械应力的方向不同时，直接进行步骤四；
步骤四、分析所述热结构的连接强度与所述热结构的线膨胀系数的差异引起的结构变形，通过计算分析，改变或调整所述热结构连接区钉间距的大小和钉头的形状；
步骤五、验证改变或调整后所述热结构的线膨胀系数的差异引起的结构变形。
优选的是，所述连接形式包括搭接、对接、插接、对接带板，通过调整连接形式达到改变结构内部热应力方向的作用，从而降低整个结构应力水平，
优选的是，步骤四中所述计算分析的方法采用Abaqus、Ansys软件对所述热结构进行热力耦合分析。
有益效果：本发明的减小热结构内部热应力作用的设计方法，使得热应力与最大受力工况的机械应力方向相反，使得热应力具有可设计性，由于改变了结构内部的受力站台，提高了热结构件的寿命，相对于常温结构，能够减轻结构重量。
附图说明
图1是本发明的减小热结构内部热应力作用的设计方法的流程图；
图2是采用机械连接钛合金壁板与高温合金壁板的热结构1；
图3是采用机械连接钛合金壁板与高温合金壁板的热结构2；
其中，1-高温合金壁板热结构，2-钛合金壁板热结构，3-紧固件的连接区，A-结构冷面温度在200摄氏度，B结构热面温度在400摄氏度。
具体实施方式
为了使得本发明的方法能更容易被理解，下面将结合附图对本发明进行详细的描述。
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为本发明的减小热结构内部热应力作用的设计方法，包括：
步骤一、根据热结构的选材和连接形式，分析热结构所处温度环境下产生的热应力；
步骤二、分析热结构在外载荷作用时受到的机械应力，选取热结构受到的最大机械应力；
步骤三、分析热结构的热应力的方向与热结构受到的机械应力的方向，当热结构的热应力的方向与热结构受到的最大机械应力的方向相同时，改变或调整热结构连接区的连接形式，当热结构的热应力的方向与热结构受到的机械应力的方向不同时，直接进行步骤四；
步骤四、分析热结构的连接强度与热结构的线膨胀系数的差异引起的结构变形，通过计算分析，改变或调整热结构连接区钉间距的大小和钉头的形状；
步骤五、验证改变或调整后热结构的线膨胀系数的差异引起的结构变形。
优选的是，连接形式包括搭接、对接、插接、对接带板，通过调整连接形式达到改变结构内部热应力方向的作用，从而降低整个结构应力水平，
优选的是，步骤四中计算分析的方法采用Abaqus、Ansys软件对热结构进行热力耦合分析。
以下将结合实施例一对本发明进行详细的描述：
实施例一、
步骤一，如图2，是一种后机身加筋壁板热结构，A侧为结构冷面温度在200摄氏度(外侧)，应用的是钛合金壁板热结构2，B侧为结构热面温度在400摄氏度(内侧)，应用的是高温合金壁板热结构1，钛合金壁板热结构2与高温合金壁板热结构1采用的是搭接连接形式，金属紧固件进行机械连接，钛合金壁板热结构2与高温合金壁板热结构1两者的热膨胀系数不同，在紧固件的连接区3处由于热变形不一致而产生热应力，在紧固件连接区3处的温度差，高温合金壁板的线膨胀系数较大，导致高温合金壁板内部的热应力向内，钛合金壁板内部的热应力向外。
步骤二、使用Abaqus软件分析出钛合金壁板热结构内部的机械应力方向与热应力方向相同，导致热结构应力水平升高。
步骤三、钛合金壁板热结构内部的机械应力方向与热应力方向相同，改变钛合金壁板热结构与高温壁板热结构的搭接形式，使钛合金壁板在内侧，高温合金壁板在外侧，如图3，根据两种不同材料的线膨胀系数特性分析，此时高温合金壁板内部的热应力向外，钛合金壁板内部的热应力向内。
步骤四、使用Abaqus软件或Ansys软件分析钛合金壁板内部的机械应力，其方向与热应力方向相反，考虑到紧固件连接区3的连接强度，调整钉间距的大小，改变热应力的量值。
步骤五、通过Abaqus软件分析本实施例中的热结构应力水平降低，减缓了结构的受力状态。
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 (3)

1.一种减小热结构内部热应力作用的设计方法，其特征在于，包括：
步骤一、根据所述热结构的选材和连接形式，分析所述热结构所处温度环境下产生的热应力；
步骤二、分析所述热结构在外载荷作用时受到的机械应力，选取所述热结构受到的最大机械应力；
步骤三、分析所述热结构的热应力的方向与所述热结构受到的机械应力的方向，当所述热结构的热应力的方向与所述热结构受到的最大机械应力的方向相同时，改变或调整所述热结构连接区的连接形式，当所述热结构的热应力的方向与所述热结构受到的机械应力的方向不同时，直接进行步骤四；
步骤四、分析所述热结构的连接强度与所述热结构的线膨胀系数的差异引起的结构变形，通过计算分析，改变或调整所述热结构连接区钉间距的大小和钉头的形状；
步骤五、验证改变或调整后所述热结构的线膨胀系数的差异引起的结构变形。
2.根据权利要求1所述的减小热结构内部热应力作用的设计方法，其特征在于，所述连接形式包括搭接、对接、插接、对接带板。
3.根据权利要求1所述的减小热结构内部热应力作用的设计方法，其特征在于，步骤四中所述计算分析的方法采用Abaqus、Ansys软件对所述热结构进行热力耦合分析。
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