CN111191391B - 一种基于局部应力分布加权系数的模拟件设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于局部应力分布加权系数的模拟件设计方法，包括通过结构细节应力分析确定结构关键危险部位危险点；以危险点为原点，在特定三个方向建立应力分布曲线；对模拟试验件进行细节应力分析，在相同的三个方向建立应力分布曲线；计算两个应力分布曲线的相对误差大小；通过调整模拟试验件参数，使得模拟件危险点和结构关键危险部位危险点的几何特征的三个方向一定距离范围内的相对误差之和小于等于预定值；根据满足相对误差要求的试验件局部尺寸数据，设计详细的耐久性模拟试验件。本发明的方法可准确模拟结构关键危险部位的应力分布状态，降低试验设计误差。

Description

一种基于局部应力分布加权系数的模拟件设计方法
技术领域
本发明属于飞机结构寿命评定技术领域，特别是涉及一种基于局部应力分布加权系数的模拟件设计方法。
背景技术
在飞机结构的耐久性寿命评估过程中，一般需要做大量元件级耐久性模拟试验。目前耐久性模拟试验的设计方法通常仅关注结构危险部位的结构细节，试验件的外形尺寸主要是根据结构细节形式和尺寸大小进行简化，没有考虑飞机结构在使用中，结构关键危险部位的应力状态和试验件加载过程中试验件危险部位应力状态的差别，这样设计出的耐久性模拟件在谱载下的试验结果和飞机结构的耐久性寿命差异很大，不能准确地描述飞机结构关键危险部位的寿命特征。
发明内容
鉴于现有技术的上述情况，本发明的目的是提供一种基于局部应力分布加权系数的模拟件设计方法，设计出能准确描述结构关键危险部位的细节特征、应力状态的耐久性模拟试验件，并通过随机谱下的耐久性试验评估结构关键危险部位的耐久性寿命，为评估整个机体结构的耐久性寿命提供支持。
本发明的上述目的是利用以下技术方案实现的：
一种基于局部应力分布加权系数的模拟件设计方法，包括：
通过结构细节应力分析获得结构关键危险部位的应力分布，确定结构关键危险部位危险点(裂纹萌生点)；
以危险点(裂纹萌生点)为原点，在结构关键危险部位几何特征的三个方向建立一定距离范围内的应力分布曲线；
对设计出的耐久性模拟试验件进行细节应力分析，在模拟试验件危险点处几何特征的三个方向建立一定距离范围内的应力分布曲线；
计算结构关键危险部位应力分布曲线和试验件危险部位应力分布曲线的相对误差大小；
通过调整模拟试验件参数，使得模拟件危险点和结构关键危险部位危险点的几何特征的三个方向一定距离范围内的相对误差之和小于等于预定值；
根据满足相对误差要求的试验件局部尺寸数据，设计详细的耐久性模拟试验件。
本发明的方法可以准确模拟结构关键危险部位的应力分布状态，降低试验设计误差；可以通过一定数量的耐久性模拟试验件的耐久性试验，可以获得高可靠度和置信度下的耐久性寿命，对机体结构进行耐久性寿命评估，设计出的耐久性试验件尺寸小，装配关系简单；可以直接在普通疲劳试验机上进行试验，试验成本低。
附图说明
图1为本发明的基于局部应力分布加权系数的模拟件设计方法的流程图；
图2为本发明的实施例中，飞机060框局部应力(最大主应力)分布示意图；
图3为本发明的实施例中，飞机060框的关键危险部位危险点附近的应力分布图；
图4为本发明的实施例中，厚度方向上的应力分布曲线及4阶拟合曲线示意图；
图5为本发明的实施例中，关键危险部位细节尺寸的示意图；
图6为本发明的实施例中，初步设计的带局部凹槽的耐久性模拟件的示意图；
图7为本发明的实施例中，初步设计的带局部凹槽的耐久性模拟件最大主应力云图；
图8为本发明的实施例中，初步设计的带局部凹槽的耐久性模拟件危险点附近应力分布图；
图9为本发明的实施例中，模拟件厚度方向上的应力分布曲线及4阶拟合曲线示意图；
图10为本发明的实施例中，本发明的方法采用的权函数的曲线图；
图11为本发明的实施例中，各方向插值点上结构和试验件的应力分布曲线示意图。
具体实施方式
下面参考附图，结合具体实施例，进一步详细说明本发明的基于局部应力分布加权系数的模拟件设计方法。
图1为本发明的基于局部应力分布加权系数的模拟试验件设计方法的流程图。如图所示，本发明的基于局部应力分布加权系数的模拟试验件设计方法包括如下步骤：
通过结构细节应力分析(这可通过采用Global-local技术进行)获得结构关键危险部位的应力分布，确定结构关键危险部位危险点(裂纹萌生点)；
以危险点(裂纹萌生点)为原点，在结构关键危险部位几何特征的三个方向建立一定距离范围内的应力分布曲线；
对设计出的耐久性模拟试验件进行细节应力分析，在模拟试验件危险点处几何特征的三个方向建立一定距离范围内的应力分布曲线；
计算结构关键危险部位应力分布曲线和试验件危险部位应力分布曲线的相对误差大小；
通过不同几何尺寸参数模拟试验件的细节应力分析，确定对局部应力分布影响最明显的几何尺寸参数为敏感参数，再通过调整敏感参数，使得模拟件危险点和结构关键危险部位危险点的几何特征的三个方向一定距离范围内的相对误差之和小于等于预定值Δ；
根据满足相对误差要求的试验件局部尺寸数据，设计详细的耐久性模拟试验件。
下面以飞机060框为例，具体说明本发明的方法。
1)获得飞机060框的结构关键危险部位危险点的3个方向的应力分布曲线。
实施方法：采用Global-local技术(从总体有限元模型计算结果中提取局部模型的力边界，施加到局部细节模型上，再进行局部细节模型的应力分析的技术，该技术及其应用为本领域的技术人员所公知)进行结构细节应力分析，确定结构关键危险部位和该部位的应力分布，应力分布如图2所示，根据应力分布，确定结构关键危险部位危险点(裂纹萌生点)。
以危险点(裂纹萌生点)为原点，并把结构危险部位剖开，在结构关键危险部位几何特征的三个方向：厚度方向、径向和展向(本例中为厚度方向、径向和展向，不过在其他情况下，也可为类似的方向定义，比如结构关键危险部位的法向方向，表面曲率方向)，建立0～3mm范围内的应力分布曲线，如图3所示，本例中范围取值为0～3mm是考虑到当范围上限值更大时，模拟误差会逐渐增大。对建立的厚度方向上的0～3mm范围内的应力分布曲线，采用多项式(4阶)插值进行数据处理，设置插值步长h＝0.25mm(当然，插值步长的取值不限于此，不过h的取值应选择为可被所述范围上限值(比如上述3mm)整除的值)，插值出步长为h＝0.25mm的每点上的应力值(厚度σm1i、径向σm2i和展向σm3i，i＝1、2、3、4、…、3/h+1，下标m表示结构)，要指的是出，在上述范围的上限值为其它值的情况下，所述i可表示为i＝1、2、3、4、…、范围上限值/h+1，在下文中同样如此。结构关键危险部位在厚度方向上的应力分布曲线及4阶拟合曲线示意图，如图4所示，可以看出应力分布曲线及4阶拟合曲线重合。其他方向的应力分布曲线的建立方式相同。
2)试验件的初步设计
根据如图5所示的关键危险部位细节尺寸，进行试验件初步设计，根据结构细节应力分布结果，可确定关键危险部位的应力分布沿厚度方向不对称，因此初步设计的试验件在厚度上应该是不对称的，本例采用在试验件一侧表面增加局部凹槽的方式，如图6所示。
如图6中的试验件参数半径R、宽度B、厚度t和长度L为待优化参数。
3)试验件的细节应力分析
对初步设计的耐久性试验件进行模拟试验机加载情况(本例施加载荷P＝100MPa*A；A为夹持段截面面积(单位：mm2))的细节应力分析，分析结果见图7所示。
沿试验件危险点处剖切开，以危险点为原点，在试验件关键危险部位几何特征的三个方向：厚度、径向和展向，建立0～3mm范围内的应力分布曲线，如图8所示。试验件3个方向上的应力分布曲线的建立与建立结构关键危险部位的应力分布曲线的方法相同，插值出步长为h＝0.25mm的每点上的应力值(厚度σs1i、径向σs2i和厚度σs3i，i＝1、2、…、3/h+1，下标s表示试验件)。
不过为了便于结果对比和误差分析，试验件3个方向上的应力值大小要乘以放大系数f，使结构和试验件在危险点处的应力值相等。放大系数的计算公式如下：
f＝结构危险点处应力/试验件危险点处应力
放大后的试验件在厚度方向上的应力分布曲线及4阶拟合曲线见图9，如图9所示，可以看出应力分布曲线及4阶拟合曲线重合。其他方向的应力分布曲线的建立方式相同。
4)相对误差分析
对结构和试验件各方向插值点上结构和试验件的应力结果(如图10所示)进行相对误差分析。相对误差之和计算公式如下：
Figure BDA0002310262920000051
其中的j表示所述3个方向。
在上述范围0～3mm，并考虑结构在受载情况下，结构关键危险部位局部塑性区域范围大小对疲劳寿命的影响，在对试验件尺寸优化时引入应力分布加权系数δ：
Figure BDA0002310262920000061
图11为应力分布加权系数δ的权函数曲线图。
通过调整试验件参数R、B、t和L，使相对误差之和尽可能的小，当相对误差之和φ小于等于预定值Δ(本例中，Δ＝2％)时的模拟试验件为最终设计出的结构关键危险部位耐久性模拟试验件。
本发明的方法可尽可能地在模拟结构关键危险部位的细节特征的同时，模拟该部位的应力状态，并且可考虑关键危险部位危险点(裂纹萌生点)各方向上距离对危险点寿命的贡献程度不同，从而可设计出能准确描述结构关键危险部位的细节特征、应力状态的耐久性模拟试验件，并通过随机谱下的耐久性试验评估结构关键危险部位的耐久性寿命，为评估整个机体结构的耐久性寿命提供支持。

Claims (8)

1.一种基于局部应力分布加权系数的模拟件设计方法，包括：
通过结构细节应力分析获得结构关键危险部位的应力分布，确定结构关键危险部位危险点；
以危险点为原点，在结构关键危险部位几何特征的三个方向建立一定距离范围内的应力分布曲线；
对设计出的耐久性模拟试验件进行细节应力分析，在模拟试验件危险点处几何特征的三个方向建立一定距离范围内的应力分布曲线；
计算结构关键危险部位应力分布曲线和试验件危险部位应力分布曲线的相对误差大小；
通过调整模拟试验件参数，使得模拟件危险点和结构关键危险部位危险点的几何特征的三个方向一定距离范围内的相对误差之和小于等于预定值；
根据满足相对误差要求的试验件局部尺寸数据，设计详细的耐久性模拟试验件。
2.按照权利要求1所述的方法，其中所述一定距离范围为0～3mm。
3.按照权利要求1所述的方法，其中所述预定值为2％。
4.按照权利要求1所述的方法，其中所述几何特征的三个方向为厚度方向、径向和展向。
5.按照权利要求1所述的方法，其中在试验件的细节应力分析中，试验件3个方向上的应力值大小乘以放大系数f，使结构和试验件在危险点处的应力值相等。
6.按照权利要求1所述的方法，其中所述模拟试验件参数是通过对不同几何尺寸参数模拟试验件进行细节应力分析，确定对局部应力分布影响最明显的几何尺寸参数而确定的。
7.按照权利要求2所述的方法，其中在通过调整模拟试验件参数，使得模拟件危险点和结构关键危险部位危险点的几何特征的三个方向一定距离范围内的相对误差之和小于等于预定值还包括考虑结构在受载情况下，结构关键危险部位局部塑性区域范围大小对疲劳寿命的影响，在相对误差计算时引入应力分布加权系数δi，其中h表示插值步长：
Figure FDA0003700101640000021
8.按照权利要求1所述的方法，其中所述结构细节应力分析是通过从总体有限元模型计算结果中提取局部模型的力边界，施加到局部细节模型上，再进行局部细节模型的应力分析实现的。
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