CN111008498A - 超静定吊挂与机翼连接单元结构尺寸的分析方法 - Google Patents

Abstract

超静定吊挂与机翼连接单元结构尺寸的分析方法，其步骤为：1)确定发动机重心及载荷作用点；2)确定结构主要承载工况；3)计算主要承载工况的吊挂及机翼连接单元的载荷；4)计算连接单元的截面几何参数及面积许用范围；5)初始化连接单元结构截面尺寸，计算各连接单元载荷及截面几何尺寸；6)将截面几何参数结果反馈到5)进行迭代计算，以重量或刚度为目标，确定可行的连接单元截面参数组合解；7)重复3)‑6)，进一步优化斜撑杆/上连杆角度，在结构限定范围内形成分载最优方案；8)针对最优方案建立简单FEM模型，进行载荷分载对比，验证优化结果的合理性。本发明通过上述方法，提供了一种设计合理，方案优化的分析方法。

Description

超静定吊挂与机翼连接单元结构尺寸的分析方法

技术领域

本发明涉及吊挂结构领域，具体地来讲为一种超静定吊挂与机翼连接单元结构尺寸的分析方法。

背景技术

吊挂作为发动机与机体连接的最重要结构，吊挂的失效将直接导致民机灾难性事故，危险程度甚至超过发动机本身失效。因此，当前民用飞机发动机吊挂与机翼多选择超静定连接方案，单一连接单元失效的情况下仍然能够保证发动机与机体正常连接。

这种连接方案较好的应对了与发动机连接的关键功能结构的破损安全问题，为结构提供了较好的检查方案和周期，极大的提高了民机服役的安全性。另一方面，超静定的连接方案使得发动机与机体本身载荷传载方式更为复杂，如何合理优化结构方案，使得载荷在各连接单元间合理分配，在保证安全性的同时降低结构重量，一直是超静定连接方案的重要研究内容之一。

吊挂与机翼间的连接采用传统超静定方案时，连接单元一般由上连杆、斜撑杆、中接头及侧连杆组成。在超静定吊挂结构设计过程中，其中一项最重要的工作是定义上连杆、斜撑杆结构初始尺寸，为有限元分析提供依据。

在吊挂结构设计初期，针对超静定连接方案，此分析方法可以基于初步设计参数快速的进行载荷分配的快速计算，优化连接位置及连接单元结构尺寸，快速定义结构初步设计概念。

发明内容

为克服相关技术中存在的问题，本发明提供一种超静定吊挂与机翼连接单元结构尺寸的分析方法。

为了实现上述目的，本发明创造采用的技术方案为：

超静定吊挂与机翼连接单元结构尺寸的分析方法，其特征在于，其步骤为：

1)基于发动机及吊挂的组合结构，确定发动机重心及载荷作用点；

2)确定结构主要承载工况；

3)根据1)、2)中的输入参数，依据适航中关于破损安全条款要求，在静定状态下，计算吊挂及机翼连接单元的载荷；

4)基于3)计算所得的连接单元载荷，计算连接单元的截面面积及相应的许用范围；

5)基于4)截面面积许用限制，初始化连接单元截面几何尺寸参数，引入静不定计算公式，计算各连接单元载荷；

6)基于5)所得的连接单元载荷，计算连接单元的截面结合参数，结果反馈到第5步进行迭代计算，最终确定迭代计算后的连接单元结构截面尺寸参数；

7)重复3)、4)、5)、5)条，进一步优化斜撑杆或上连杆角度，在结构限定范围内形成分载最优方案；

8)针对最优方案建立简单FEM模型，进行载荷分载对比。

所述的步骤2)中，主要承载工况包括有：坠撞工况、动载荷工况、推力工况、陀螺工况及破损状态下的坠撞工况、动载荷工况、推力工况、陀螺工况。

所述的步骤3)中，具体方法为：假设吊挂和机翼连接中的某个单元发生失效，即上连杆或者斜撑杆发生失效，其余连接单元未失效但构成静定连接状态，采用力的静定平衡方程及向量运算方法计算破损安全状态下，即上连杆失效或者斜撑杆失效状态下，斜撑杆未失效或上连杆未失效连接单元载荷。

所述的步骤4)中：

4.1)所述的吊挂和机翼连接单元中的上连杆采用“王”型截面，具体方法为：

在承压状态下，通过工程数据及试验统计数据，定义使梁重量最轻的上缘条、下缘条及中间腹板的尺寸；

根据承拉状态及材料的屈服应力，定义梁的中间加筋尺寸：若承拉载荷小于承压载荷，“王”型截不需要中间加筋；若承拉载荷大于承压载荷且当前拉伸应力余度小于零，则需增加中间加强筋；

所述“王”型梁的主要参数为：d₀—梁上或下缘条的宽度；t_d0—梁上或下缘条的厚度；h₀——梁腹板的高度；t_h0—梁腹板的厚度；A₀—中间加强筋面积；

4.2)所述的吊挂和机翼连接单元中的斜撑杆采用“◎”型截面，具体方法为：

假设整体失稳应力、局部失稳应力等于材料压缩屈服应力，在弹性尺寸范围内，进行某一载荷状态下截面面积估算；

F_cy＝f_e＝f_bt

—截面平均应力计算公式；

—整体失稳应力计算公式；

—局部失稳应力计算公式；

A＝2πRt—工字梁的截面面积；

F_cy—材料的压缩屈服应力；

f_e—整体失稳应力；

f_bt—局部失稳应力；

ν—泊松比

K—局部修正系数0.85；

R—半径；

t—壁厚；

4.3)基于上述连接单元载荷工况，采用步骤4.1)步骤4.2)所述的截面几何尺寸及面积计算流程及方式，分别计算处于破损安全状态下的吊挂和机翼连接单元中的上连杆、斜撑杆截面几何尺寸及其面积的许用范围。

所述的步骤5)中，具体方法为：

基于所述步骤4)中获得截面面积限制，初始化截面面积，计算静不定状态下的吊挂和机翼连接单元载荷，计算获取上连杆与斜撑杆总重最小，即重量最优的连接单元截面几何参数。

所述的步骤6)中，具体方法为：

步骤5)中的连接单元截面尺寸参数为变量，通过优化算法重复步骤5)中所述的方法，以连接单元结构总重量、发动机重心位移为优化目标，获取满足适航条款要求的连接单元的截面几何参数及截面面积组合。

所述的步骤8)中，进行载荷分在对比的具体方法为：

通过有限元FEM分析软件，建立吊挂环和机翼连接结构有限元模型，选取所述步骤7)的最优方案和所述步骤5)中的截面几何参数创建连接单元的有限元属性，吊挂盒段简化为刚性体，发动机简化为质量点，其余位置采用刚性连接，有限元计算获得连接单元的载荷和工程计算的载荷对比，进行有限元分析校验。

本发明创造的有益效果为：

1.提高结构初始尺寸定义的合理性。现有超静定吊挂与机翼连接结构初始尺寸设计，通常参照现有机型或相关案例机型尺寸进行定义，设计结果可能过于保守，导致结构重量增加；本发明建立在理论和工程方法的基础上，对上连杆、斜撑杆结构尺寸进行计算，并给出连接结构优化后结果，提高了初始尺寸定义的合理性；

2.指导设计调整方向。由于制造或者系统等外部条件需要对截面尺寸进行调整，本发明能够给出满足要求的一种或者多种可行的结构初始尺寸组合方案，为设计提供指导方向。

附图说明

图1为超静定吊挂对象示意图。

图2为计算方法及流程示意图。

图3为超静定吊挂上连杆、斜撑杆总重量优化迭代历程。

图4为所展示的为连接结构总重量与发动机重心变形的优化结果集。

图5某工况下连接单元截面尺寸、载荷计算结果。

具体实施方式

1)基于发动机及吊挂的组合结构，确定发动机重心及载荷作用点。

2)确定结构主要承载工况。主要承载工况包括有：坠撞工况、动载荷工况、推力工况、陀螺工况及破损状态下的坠撞工况、动载荷工况、推力工况、陀螺工况。

3)根据1)、2)中的输入参数，依据适航中关于破损安全条款要求，在静定状态下，计算吊挂及机翼连接单元的载荷；

具体的，假设吊挂和机翼连接中的某个单元发生失效，即上连杆或者斜撑杆发生失效，其余连接单元未失效但构成静定连接状态，采用力的静定平衡方程及向量运算方法计算破损安全状态下，即上连杆失效或者斜撑杆失效状态下，斜撑杆未失效或上连杆未失效连接单元载荷。

4)基于3)计算所得的连接单元载荷，计算连接单元的截面面积及相应的许用范围：

4.1)所述的吊挂和机翼连接单元中的上连杆采用“王”型截面，具体方法为：

在承压状态下，通过工程数据及试验统计数据，定义使梁重量最轻的上缘条、下缘条及中间腹板的尺寸；

根据承拉状态及材料的屈服应力，定义梁的中间加筋尺寸：若承拉载荷小于承压载荷，“王”型截不需要中间加筋；若承拉载荷大于承压载荷且当前拉伸应力余度小于零，则需增加中间加强筋；

所述“王”型梁的主要参数为：d₀—梁上或下缘条的宽度；t_d0—梁上或下缘条的厚度；h₀——梁腹板的高度；t_h0—梁腹板的厚度；A₀—中间加强筋面积。

4.2)所述的吊挂和机翼连接单元中的斜撑杆采用“◎”型截面，具体方法为：

假设整体失稳应力、局部失稳应力等于材料压缩屈服应力，在弹性尺寸范围内，进行某一载荷状态下截面面积估算；

F_cy＝f_e＝f_bt

—截面平均应力计算公式；

—整体失稳应力计算公式；

—局部失稳应力计算公式；

A＝2πRt—工字梁的截面面积；

F_cy—材料的压缩屈服应力；

f_e—整体失稳应力；

f_bt—局部失稳应力；

ν—泊松比

K—局部修正系数0.85；

R—半径；

t—壁厚。

4.3)基于上述连接单元载荷工况，采用步骤4.1)步骤4.2)所述的截面几何尺寸及面积计算流程及方式，分别计算处于破损安全状态下的吊挂和机翼连接单元中的上连杆、斜撑杆截面几何尺寸及其面积的许用范围。

5)基于4)截面面积许用限制，初始化连接单元截面几何尺寸参数，引入静不定计算公式，计算各连接单元载荷；

具体的，基于所述步骤4)中获得截面面积限制，初始化截面面积，计算静不定状态下的吊挂和机翼连接单元载荷，依据步骤4)、步骤5)的流程及方法，获取重量计算获取上连杆与斜撑杆总重最小，即重量最优的连接单元截面几何参数。

6)基于5)所得的连接单元载荷，计算连接单元的截面结合参数，结果反馈到第5步进行迭代计算，最终确定迭代计算后的连接单元结构截面尺寸参数。

具体的，所述步骤5)中以连接单元截面尺寸参数为变量，通过优化算法(但不限于遗传算法)重复步骤5)中所述的方法，以连接单元结构总重量、发动机重心位移为优化目标，获取满足适航条款要求的连接单元的截面几何参数或者截面面积组合。

7)重复3)、4)、5)、6)条，进一步优化斜撑杆或上连杆角度，在结构限定范围内形成分载最优方案。所述的最优方案具体指：在外部限制约束调节下，通过调整所述上连杆与吊挂盒段的连接点位置、所述斜撑杆与机翼下壁板的连接点位置，形成多种空间位置组合方案，利用步骤3)、4)、5)、6)提到的方法，考察各个方案中的连接单元结构总重量与发动机重心位移的比例，选取比例最小的方案作为最优分载方案。

8)针对最优方案建立简单FEM模型，进行载荷分载对比；

具体的，通过有限元FEM分析软件，建立吊挂环和机翼连接结构有限元模型，选取所述步骤7)的最优方案和所述步骤5)中的截面几何参数创建连接单元的有限元属性，吊挂盒段简化为刚性体，发动机简化为质量点，其余位置采用刚性连接，有限元计算获得连接单元的载荷和工程计算的载荷对比，进行有限元分析校验。

下面结合附图对本算法进行详细地说明：

参见图1，本发明所应用的研究对象为超静定吊挂或机翼间的连接单元。吊挂盒段2与机翼3之间的连接结构由上连杆4、斜撑杆5及中接头6组成。在面XY内，上连杆4、斜撑杆5及中接头6形成超静定构型，连接吊挂盒段2和机翼3。其中，上连杆4的截面为“工”型，斜撑杆的截面为“◎”型，吊挂盒段2、发动机1简化为刚体，忽略中接头6位置处得弹性变形影响。

本发明所阐述的吊挂上连杆4、斜撑杆5的截面尺寸、载荷及重量优化流程如图2所示。首先，在破损安全状态下，计算静定状态吊挂上连杆、斜撑杆载荷，依据工程算法，确定4、5截面尺寸的许用范围。然后，初始化4、5截面尺寸，采用能量法计算静不定状态下结构4、5的载荷，更新结构4、5的截面尺寸，并采用遗传算法或者全局算法不断迭代。最终，优化结果集输出，包括截面尺寸、载荷、重量、刚度等信息。

Claims (7)

1.超静定吊挂与机翼连接单元结构尺寸的分析方法，其特征在于，其步骤为：

1)基于发动机及吊挂的组合结构，确定发动机重心及载荷作用点；

2)确定结构主要承载工况；

3)根据1)、2)中的输入参数，依据适航中关于破损安全条款要求，在静定状态下，计算吊挂及机翼连接单元的载荷；

4)基于3)计算所得的连接单元载荷，计算连接单元的截面面积及相应的许用范围；

5)基于4)截面面积许用限制，初始化连接单元截面几何尺寸参数，引入静不定计算公式，计算各连接单元载荷；

6)基于5)所得的连接单元载荷，计算连接单元的截面结合参数，结果反馈到第5步进行迭代计算，最终确定迭代计算后的连接单元结构截面尺寸参数；

7)重复3)、4)、5)、5)条，进一步优化斜撑杆或上连杆角度，在结构限定范围内形成分载最优方案；

8)针对最优方案建立简单FEM模型，进行载荷分载对比。

2.根据权利要求1所述的超静定吊挂与机翼连接单元结构尺寸的分析方法，其特征在于：所述的步骤2)中，主要承载工况包括有：坠撞工况、动载荷工况、推力工况、陀螺工况及破损状态下的坠撞工况、动载荷工况、推力工况、陀螺工况。

3.根据权利要求1所述的超静定吊挂与机翼连接单元结构截面尺寸的分析方法，其特征在于：所述的步骤3)中，具体方法为：假设吊挂和机翼连接中的某个单元发生失效，即上连杆或者斜撑杆发生失效，其余连接单元未失效但构成静定连接状态，采用力的静定平衡方程及向量运算方法计算破损安全状态下，即上连杆失效或者斜撑杆失效状态下，斜撑杆未失效或上连杆未失效连接单元载荷。

4.根据权利要求1所述的超静定吊挂与机翼连接单元结构截面尺寸的分析方法，其特征在于：所述的步骤4)中：

4.1)所述的吊挂和机翼连接单元中的上连杆采用“王”型截面，具体方法为：

在承压状态下，通过工程数据及试验统计数据，定义使梁重量最轻的上缘条、下缘条及中间腹板的尺寸；

根据承拉状态及材料的屈服应力，定义梁的中间加筋尺寸：若承拉载荷小于承压载荷，“王”型截不需要中间加筋；若承拉载荷大于承压载荷且当前拉伸应力余度小于零，则需增加中间加强筋；

所述“王”型梁的主要参数为：d₀—梁上或下缘条的宽度；t_d0—梁上或下缘条的厚度；h₀——梁腹板的高度；t_h0—梁腹板的厚度；A₀—中间加强筋面积；

4.2)所述的吊挂和机翼连接单元中的斜撑杆采用“◎”型截面，具体方法为：

假设整体失稳应力、局部失稳应力等于材料压缩屈服应力，在弹性尺寸范围内，进行某一载荷状态下截面面积估算；

F_cy＝f_e＝f_bt

—截面平均应力计算公式；

—整体失稳应力计算公式；

—局部失稳应力计算公式；

A＝2πRt—工字梁的截面面积；

F_cy—材料的压缩屈服应力；

f_e—整体失稳应力；

f_bt—局部失稳应力；

ν—泊松比

K—局部修正系数0.85；

R—半径；

t—壁厚；

4.3)基于上述连接单元载荷工况，采用步骤4.1)步骤4.2)所述的截面几何尺寸及面积计算流程及方式，分别计算处于破损安全状态下的吊挂和机翼连接单元中的上连杆、斜撑杆截面几何尺寸及其面积的许用范围。

5.根据权利要求1所述的超静定吊挂与机翼连接单元结构尺寸的分析方法，其特征在于：所述的步骤5)中，具体方法为：

基于所述步骤4)中获得截面面积限制，初始化截面面积，计算静不定状态下的吊挂和机翼连接单元载荷，计算获取上连杆与斜撑杆总重最小，即重量最优的连接单元截面几何参数。

6.根据权利要求1所述的超静定吊挂与机翼连接单元结构尺寸的分析方法，其特征在于：所述的步骤6)中，具体方法为：

步骤5)中的连接单元截面尺寸参数为变量，通过优化算法重复步骤5)中所述的方法，以连接单元结构总重量、发动机重心位移为优化目标，获取满足适航条款要求的连接单元的截面几何参数及截面面积组合。

7.根据权利要求1所述的超静定吊挂与机翼连接单元结构尺寸的分析方法，其特征在于：所述的步骤8)中，进行载荷分在对比的具体方法为：

通过有限元FEM分析软件，建立吊挂环和机翼连接结构有限元模型，选取所述步骤7)的最优方案和所述步骤5)中的截面几何参数创建连接单元的有限元属性，吊挂盒段简化为刚性体，发动机简化为质量点，其余位置采用刚性连接，有限元计算获得连接单元的载荷和工程计算的载荷对比，进行有限元分析校验。

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