CN110795871B - 一种水陆两栖飞机船底框强度计算和试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于飞机结构强度计算技术，具体涉及一种水陆两栖飞机船底框强度计算和试验方法。本发明从全机有限元模型中提取单个船底框的模型和载荷，以此为基础进行模型细化和载荷简化，然后用细节有限元模型进行船底框的应力分析和稳定性强度计算，最后在承力墙上完成船底框的试验验证。本发明所提供的水陆两栖飞机船底框的强度计算和试验方法，流程清晰明了，可以用于指导水陆两栖飞机船底框的结构参数定义、强度计算和试验验证，能够有效缩短设计成本和周期，具有较大的实际应用价值。

Description

一种水陆两栖飞机船底框强度计算和试验方法

技术领域

本发明属于飞机结构强度计算技术，具体涉及一种水陆两栖飞机船底框的强度计算和试验方法。

背景技术

传统飞机的机身框主要用于维持机身截面形状、为壁板提供支持，加强框还会参与集中载荷的传递和扩散，强度计算和试验时主要考虑机身框在轴力、弯矩、剪力作用下的应力水平和稳定性。

水陆两栖飞机的机身下部为船体，使得水陆两栖飞机的机身框形状比传统飞机的机身框复杂，机身下部船底框还需要额外考虑船底水载荷的作用。然而对于水陆两栖飞机这种外形复杂、受载严重的船底框，国内外均没有给出可供参考的强度计算和试验方法，因此难以对其进行尺寸定义和优化。

发明内容

本发明的目的是：提供一种水陆两栖飞机船底框的强度计算方法，用于指导船底框结构的尺寸定义和优化。

另外，本发明还提供一种水陆两栖飞机船底框的强度试验方法。

本发明的技术方案是：一种水陆两栖飞机船底框的强度计算方法，从全机有限元模型中提取单个机身框的有限元模型和载荷，以此为基础进行模型细化和载荷简化得到细节有限元模型，然后用细节有限元模型进行船底框的强度计算。

所述的水陆两栖飞机船底框的强度计算方法，单个机身框的有限元模型为全机有限元模型的单个框段。

所述的水陆两栖飞机船底框的强度计算方法，船底框的模型细化时，其有限元网格数量为相应位置未细化时的有限元网格数量的至少20倍。

所述的水陆两栖飞机船底框的强度计算方法，载荷简化时，将全机模型自由体载荷中沿框外缘条方向的载荷分量进行简化，即将上部段框内的载荷简化成若干集中力。

所述的水陆两栖飞机船底框的强度计算方法，在细节有限元模型中，船底框施加水载荷，上部框施加简化后的集中力。

所述的水陆两栖飞机船底框的强度计算方法，利用有限元软件，对细节有限元模型进行线性、非线性和屈曲强度计算。

所述的水陆两栖飞机船底框的强度计算方法，其船底框的腹板在极限载荷之前会发生压、弯、剪联合失稳，需要进行后屈曲强度计算。

一种对上述的水陆两栖飞机船底框的强度计算方法所得到的强度计算结果进行验证的试验方法，其对船底框进行静力试验，试验加载和约束方式与强度理论计算时一致，其中船底水载荷通过一排作动筒加载，简化后的上部集中力通过钢索和作动筒加载。

完成船底框的静力试验，获得船底框真实的应力分布和极限承载能力，与理论强度计算结果进行对比验证，根据试验结果修正强度计算方法中的有限元模型和载荷简化。

本发明的有益效果：本发明给出了水陆两栖飞机船底框的强度计算方法，流程清晰明了，可以用于指导水陆两栖飞机船底框的结构参数定义和强度计算，能够有效缩短设计周期，提高设计效率；同时，本发明给出的船底框试验方法只包含一个机身框，试验件尺寸较小、加载和约束方式简单，能够有效减小试验成本和周期。

附图说明

图1为实施例中的水陆两栖飞机船底框的结构示意图；

图2为实施例中强度计算时的有限元模型示意图；

图3为实施例中的试验方案示意图；

其中，1-船底框、2-上部框、3-地板横梁、4-横梁支柱、5-作动筒、6-钢索。

具体实施方式

为使本发明实施的流程更加清楚，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，且未详细部分均为常规技术。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。

如图1所示，其是本发明水陆两栖飞机船底框的强度计算方法所涉及到的水陆两栖飞机机身框结构示意图。其中，船底框1位于机身底部，上部框与船底框之间通过地板横梁3分开，横梁支柱4设置在地板横梁3与船底框1之间。

本发明水陆两栖飞机船底框的强度计算方法，其具体实施时，过程如下：

步骤一、利用全机有限元模型计算相应船底框的水载荷工况，全机模型中船底水载荷以压力的形式施加到船底蒙皮，施加惯性力和气动力后按全机平衡进行求解；

步骤二、利用有限元软件，从全机有限元模型中提取单个机身框的自由体载荷，对框提供载荷的结构主要为机身壁板；

步骤三、将自由体载荷中沿框外缘条方向的载荷分量进行简化，一般将一小段框的载荷简化成一个集中力，某实施例中每侧上部机身简化成5个切向集中力，分别为F1、F2、F3、F4、F5，如图2所示，两侧载荷成对称分布；

步骤四、依据船底框的结构数模，对船底框有限元模型进行细化，一般细化网格数为原来的20倍以上，建立机身框的细节有限元模型；

步骤五、在细节有限元模型中，船底框外缘条处以均布作动筒5的形式，模拟施加线载荷ω的形式施加水载荷，上部框对应对称施加简化后的集中力F1、F2、F3、F4、F5处，布置作动筒和钢索6，模拟各集中力，以模拟水陆两栖飞机的飞机机身框的载荷加载；

步骤六、利用有限元软件，利用步骤五所记载的载荷加载，通过必要的参数调整和设定，利用有限元软件即可实现对细节有限元模型进行线性、非线性和屈曲计算，并得到船底框的应力、变形、稳定性等强度计算结果；

步骤七、根据有限元计算结果调整和优化船底框的结构参数和细节，主要包括船底框腹板厚度、内缘条厚度、外缘条厚度和船底框内缘条形状，然后再进行强度分析计算。

本发明水陆两栖飞机船底框的强度试验方法是对强度计算结果进行试验验证，其过程如下：

选择单个机身框进行船底框静力试验，试验件主要包括船底框、上部框、地板横梁和地板支柱。试验件放置在承力墙上，试验加载和约束方式与理论计算时一致，其中船底水载荷通过一排作动筒加载，模拟水载荷施加；上部集中载荷通过钢索和作动筒加载，模拟简化的集中力；完成船底框的静力试验，获得船底框真实的应力分布和极限承载能力，与理论计算结果进行对比分析，验证理论计算结果的准确性。对于计算结果与试验结果偏差较大的局部区域，根据试验结果局部修正强度计算方法中的有限元模型。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，另外，本发明未详尽部分均为常规技术。

Claims (6)

1.一种水陆两栖飞机船底框的强度计算方法，其特征在于，用于水陆两栖飞机机身框结构，船底框位于机身底部，上部框与船底框之间通过地板横梁分开，横梁支柱设置在地板横梁与船底框之间，所述方法包括：

利用全机有限元模型计算相应船底框的水载荷工况，全机模型中船底水载荷以压力的形式施加到船底蒙皮，施加惯性力和气动力后按全机平衡进行求解；

利用有限元软件，从全机有限元模型中提取单个机身框的自由体载荷，对框提供载荷的结构主要为机身壁板；

将自由体载荷中沿框外缘条方向的载荷分量进行简化；

依据船底框的结构数模，对船底框有限元模型进行细化；

在细节有限元模型中，船底框外缘条处以均布作动筒的形式，模拟施加线载荷ω的形式施加水载荷，上部框对应对称施加简化后的集中力F1、F2、F3、F4、F5处，布置作动筒和钢索，模拟各集中力，以模拟水陆两栖飞机的飞机机身框的载荷加载；

利用有限元软件，利用载荷加载，通过参数调整和设定，对细节有限元模型进行线性、非线性和屈曲计算，并得到船底框的强度计算结果；

根据有限元计算结果调整和优化船底框的结构参数和细节，包括船底框腹板厚度、内缘条厚度、外缘条厚度和船底框内缘条形状，然后再进行强度分析计算。

2.根据权利要求1所述的水陆两栖飞机船底框的强度计算方法，其特征在于，单个机身框的有限元模型为全机有限元模型的单个框段。

3.根据权利要求1所述的水陆两栖飞机船底框的强度计算方法，其特征在于，船底框的模型细化时，其有限元网格数量为相应位置未细化时的有限元网格数量的至少20倍。

4.根据权利要求1所述的水陆两栖飞机船底框的强度计算方法，其特征在于，载荷简化时，将全机模型自由体载荷中沿框外缘条方向的载荷分量进行简化，即将上部段框内的载荷简化成集中力。

5.根据权利要求1所述的水陆两栖飞机船底框的强度计算方法，其特征在于，船底框的腹板在极限载荷之前会发生压、弯、剪联合失稳，需要进行后屈曲强度计算。

6.一种在权利要求1至5任意项所述的水陆两栖飞机船底框的强度计算方法所得到的结构强度进行验证的试验方法，其特征在于，对船底框进行静力试验，试验加载和约束方式与强度理论计算时一致，其中船底水载荷通过一排作动筒加载，简化后的上部集中力通过钢索和作动筒加载；

完成船底框的静力试验，获得船底框真实的应力分布和极限承载能力，与理论强度计算结果进行对比验证，根据试验结果修正强度计算方法中的有限元模型和载荷简化。