CN111914352B - 一种飞机辅助动力装置安装拉杆的设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种飞机辅助动力装置安装拉杆设计方法，根据辅助动力装置的安装位置建立安装拉杆有限元分析模型；得到不同工况下每个安装拉杆的内力；提取最小内力值作为安装拉杆的计算内力；并得出安装拉杆的计算应力和安装拉杆的压缩临界应力；设定安装拉杆剩余强度系数，建立压缩临界应力与计算应力的关系式，根据关系式计算出安装拉杆的内圆直径。
Description
技术领域
本发明属于飞机结构强度设计领域，尤其涉及一种飞机辅助动力装置安装拉杆设计方法。
背景技术
辅助动力装置是飞机上主动力装置之外可以独立输出压缩空气或供电的小型辅助动力装置，安装在机身尾部，主要作用是为发动机启动提供气源启动，也可在主发动机启动前为飞机电力系统输出电力。本发明主要研究飞机辅助动力装置安装拉杆设计。目前强度校核中，安装拉杆设计通常采用以下3种设计方法，其一是直接根据工程经验，初步给出安装拉杆的截面几何参数，这种方法设计缺乏数据支持，设计结果精度低；其二是直接采用较大直径和较大壁厚安装拉杆，这种方法虽然安全性有所提高，但设计剩余强度系数较大，增加了飞机结构重量，与飞机的减重理念相悖；其三是采用循环迭代的方法，即任意给出安装拉杆设计初始值，计算得出安装拉杆轴压应力，并查阅《飞机设计手册》第9册图20-10得出临界失稳应力，若得出安装拉杆轴压应力大于其临界失稳应力，则加大安装拉杆几何参数，依次迭代，此种方法可以较为准确的得出安装拉杆的设计尺寸，但计算过程繁琐，给工程设计人员带来不便。因此需要建立一种新的简便计算方法，方便、快速、准确地进行飞机辅助动力装置安装拉杆设计。
发明内容
本发明根据飞机研制的需求和现有技术存在的问题，基于有限元分析方法进行静强度计算，提出一种飞机辅助动力装置安装拉杆设计方法。
1、一种飞机辅助动力装置安装拉杆的设计方法，已知辅助动力装置的重心位置，已知安装拉杆的安装位置，安装拉杆为管状材料，已知安装拉杆的壁厚δ，计算安装拉杆的内圆直径d，其特征在于包含以下内容：1)将安装拉杆视为等截面二力杆；2)以辅助动力装置重心位置、安装拉杆与机身框架连接位置、安装拉杆与辅助动力装置连接位置为基准，建立安装拉杆有限元分析模型，安装拉杆简化为杆单元，辅助动力装置简化为刚体单元；3)在安装拉杆与飞机机体连接位置固支约束，作为安装拉杆分析模型的边界条件；4)根据边界条件和载荷工况，求解出不同载荷工况下的每个安装拉杆内力；5)将不同载荷工况下的每个安装拉杆内力进行比对分析，提取最小内力值作为安装拉杆的计算内力P；6)根据安装拉杆计算内力得出安装拉杆的计算应力σc和安装拉杆的临界失稳应力σcr；7)设定安装拉杆剩余强度系数为k，建立临界失稳应力与计算应力的关系式σcr＝kσc，根据关系式计算出安装拉杆的内圆直径d。
本发明的优点和效果包括：
1)本发明提供的方法能准确、快速设计真实受力状态下安装拉杆，满足辅助动力装置安装要求；
2)与传统设计方法相比，提高了计算精度和速度；
3)本发明提供的方法操作简单，实现了计算方法与流程的标准化，避免了不同研发人员计算时出现的结果误差较大，为处理相似部位的超差提供了一种准确设计安装拉杆的方法。
以下结合附图对本申请做进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明辅助动力装置及安装拉杆示意图。
图2为LY12-CZ管件轴压失稳临界应力关系图。
其中，1辅助动力装置，2安装拉杆，3飞机机体。
具体实施方式
参见附图，图1为本发明辅助动力装置及安装拉杆示意图。辅助动力装置1通过安装拉杆2安装在飞机机身尾部的飞机机体3上。安装拉杆2包含多个长短不一的杆状结构，其一端连接在飞机机体3上，其另一端与辅助动力装置1连接。本申请基于有限元分析方法进行静强度计算，目的是为了方便、快捷、准确的设计飞机辅助动力装置安装拉杆。具体做法如下：
本发明涉及的安装拉杆2特指等截面管件结构，安装拉杆2材料为LY12-CZ，已知安装拉杆的壁厚δ和安装拉杆的L，计算安装拉杆的内圆直径d。计算时，我们将每个安装拉杆2视为等截面二力杆。
根据飞机辅助动力装置的安装设计模型，以辅助动力装置1重心位置、安装拉杆2与飞机机体3连接位置、安装拉杆2与辅助动力装置1安装位置为基准，建立安装拉杆2有限元分析模型，安装拉杆2简化为杆单元，辅助动力装置1简化为刚体单元。
在有限元分析模型中，将安装拉杆2与飞机机体3连接位置进行固支约束，作为安装拉杆2分析模型的边界条件。
再根据边界条件和飞机辅助动力装置的各种不同载荷工况，求解出不同载荷工况下的每个安装拉杆2的内力。
再将不同载荷工况下的每个安装拉杆2内力进行比对分析，提取最小内力值，将该最小内力值作为安装拉杆2的计算内力P。
实施例中，取安装拉杆2内圆直径为d，壁厚δ为2mm，则外圆直径为(d+4)mm，根据飞机设计手册提供的，如图2所示LY12-CZ管件轴压失稳临界应力关系提出，当安装拉杆的长度L与安装拉杆剖面回转半径ρ的比值位于0到80之间时：
临界失稳应力σcr与管件内圆直径d的关系表达式为：
安装拉杆2的计算内力P与管件内圆直径d的关系表达式为：
按照安全余量设计要求，建立临界失稳应力与计算应力的关系式σcr＝kσc，设定安装拉杆剩余强度系数为k为2.0，则令σcr＝2σc，得出下列关系：
根据该关系式，即可求解出安装拉杆的内圆直径d。
最后，将计算出的安装拉杆的内圆直径d，在有限元模型中重新定义，计算出设计状态安装拉杆2的内力，进行强度校核。
Claims (2)
1.一种飞机辅助动力装置安装拉杆的设计方法，已知辅助动力装置的重心位置，已知安装拉杆的安装位置，安装拉杆为管状材料，已知安装拉杆的壁厚δ和安装拉杆的长度L，计算安装拉杆的内圆直径d，其特征在于包含以下内容：1)将安装拉杆视为等截面二力杆；2)以辅助动力装置重心位置、安装拉杆与机身框架连接位置、安装拉杆与辅助动力装置连接位置为基准，建立安装拉杆有限元分析模型，安装拉杆简化为杆单元，辅助动力装置简化为刚体单元；3)在安装拉杆与飞机机体连接位置固支约束，作为安装拉杆分析模型的边界条件；4)根据边界条件和载荷工况，求解出不同载荷工况下的每个安装拉杆内力；5)将不同载荷工况下的每个安装拉杆内力进行比对分析，提取最小内力值作为该安装拉杆的计算内力P；6)根据安装拉杆计算内力得出安装拉杆的计算应力σc和安装拉杆的临界失稳应力σcr；7)设定安装拉杆剩余强度系数为k，建立临界失稳应力与计算应力的关系式σcr＝kσc，根据关系式可以计算出该安装拉杆的内圆直径d，当0<L/ρ<80时，临界失稳应力σcr与管件内圆直径d的关系表达式为：
其中L为安装拉杆的长度，ρ为安装拉杆的剖面回转半径；安装拉杆的计算内力P与管件内圆直径d的关系表达式为：
2.如权利要求1所述的飞机辅助动力装置安装拉杆的设计方法，其特征在于，将计算出的安装拉杆的直径，在有限元模型中重新定义，计算出设计状态安装拉杆的内力，进行安装拉杆的强度校核。
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