CN112699462B - 一种大跨度开剖面舱体空间桁架结构设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于航空大跨度开剖面舱体结构在端面扭矩载荷作用下空间桁架结构布置与设计领域，具体涉及一种空间桁架结构在传递端面扭矩载荷时的布置及优化设计方法。本发明，首先在理论分析的基础上对此结构进行了传力路径的设计；然后建立空间桁架结构有限元模型，施加载荷和位移边界条件；然后以重量最小为优化目标，给定应力应变以及位移的约束条件，通过改变弹簧元刚度，实现对载荷的重新分配；对该空间桁架结构进行多轮迭代优化，得到最终的优化结果。

Description

一种大跨度开剖面舱体空间桁架结构设计方法
技术领域
本发明属于航空大跨度开剖面舱体结构在端面扭矩载荷作用下空间桁架结构布置与设计领域，具体涉及一种空间桁架结构在传递端面扭矩载荷时的布置及优化设计方法。
背景技术
大跨度开剖面舱体结构在飞机上有着广泛的应用，同时由于飞机受力环境的复杂性，开剖面舱体结构往往会承受扭矩载荷。但是和闭剖面结构相比，开剖面结构通常具有较弱的扭转刚度，承受扭矩载荷的能力很弱，当结构承受扭矩载荷时，极易产生较大变形进而发生破坏。
目前大跨度的开剖面舱体常使用梁+加强框结构或者板杆结构，但是这些构型往往传力路径复杂，连接形式复杂，且会带来较大的重量代价。为了弥补这种不足，得到一种结构简单，重量较轻的结构，本发明提出了一种大跨度开剖面舱体端面扭矩载荷下空间桁架结构优化设计方法。
发明内容
发明目的：提供一种大跨度开剖面舱体端面扭矩载荷下空间桁架结构优化设计方法，得到满足条件的最小重量的空间桁架结构。
本发明首先在理论分析的基础上对此结构进行了传力路径的设计；然后建立空间桁架结构有限元模型，施加载荷和位移边界条件；然后以重量最小为优化目标，给定应力应变以及位移的约束条件，对该空间桁架结构进行优化，得到最终的优化结果。
本发明的技术方案：提供一种大跨度开剖面舱体空间桁架结构设计方法，所述空间桁架结构设计方法包括：
步骤1：根据实际空间桁架结构的受载情况，对载荷进行分解、简化，确定出空间桁架结构承受横向剪力偶和垂向剪力偶，合理分配横向剪力偶和垂向剪力偶，以提高空间桁架结构的承载效率；考虑到实际空间桁架结构的侧壁较高，承受垂向剪力偶的能力较强，承受横向剪力偶的能力较弱，应提高垂向剪力偶；
步骤2：将空间桁架结构进行有限元建模，使用杆元模拟空间桁架结构的杆件；使用弹簧元模拟空间桁架结构端面的接头刚度；空间桁架结构的一端施加固支的边界条件，另一端施加扭矩载荷；
步骤3：以重量最轻化为目标函数，在多约束条件下，对空间桁架结构模型进行杆元截面积优化；
步骤4：调整空间桁架结构有限元模型中弹簧元垂向和横向的刚度比，重新将垂向剪力偶和横向剪力偶进行分配；
步骤5：重复步骤3和步骤4，当空间桁架结构模型的重量趋于稳定后，得到空间桁架结构模型最优的杆元截面积以及弹簧元垂向和横向的刚度比；最优空间桁架结构有限元模型中杆元的截面形状都为正方形；
步骤:6：步骤5得到了最合理的空间桁架结构杆截面积分布以及空间桁架结构接头的垂向和横向刚度比，空间桁架结构有限元模型中杆的截面形状都为正方形，不具有最优的力学特性，可通过对空间桁架结构中杆的截面形状进行重新设计，得到最终的杆截面形状，根据步骤5得到的最优的接头垂向和横向刚度比进行接头的设计。
可选的，步骤1中，实际空间桁架结构的两端承受扭矩载荷，将扭矩载荷简化为横向剪力偶和垂向剪力偶，确定出空间桁架结构承受的初始横向剪力偶和初始垂向剪力偶；其中，初始垂向剪力偶大于初始横向剪力偶。
可选的，步骤3中，通过调整弹簧元的刚度，实现空间桁架结构端面接头刚度大小的调整；通过调节空间桁架结构模型的端面接头刚度，实现对垂向剪力偶和横向剪力偶的再分配。
可选的，步骤3中，通过提高空间桁架结构模型端面接头的垂向刚度，用以提高垂向剪力偶。
可选的，步骤2中，空间桁架结构有限元模型的杆元和弹簧元的连接方式均为铰接，初始的杆元截面积为50-100mm2。
可选的，步骤3中，多约束条件包括实际空间桁架结构实际应用的位移约束及应力约束。
可选的，步骤4中，通过二分法调整弹簧元垂向和横向的刚度比。
可选的，步骤2中，扭矩载荷的施加根据实际空间桁架结构承受的扭矩载荷进行施加。
技术效果：本发明中的大跨度开剖面舱体端面扭矩载荷下空间桁架结构与传统的板杆结构和梁+加强框结构相比，具有传力路径清晰，结构简单，传载效率高，重量较轻等优点。
附图说明
图1为受力分析图，左图为简化前的受力、右图为简化后的受力；
图2为空间桁架结构有限元模型；
图3为优化后的空间桁架结构。
具体实施方式
下面对本发明做详细说明。
已知扭矩载荷为1,000kN*m，结构材料为铝合金(弹性模量71000MPa)，将应力控制在400MPa以内，空间桁架结构剖面的开口边缘两点相对变形不超过40mm。本实施例，提供一种大跨度开剖面舱体空间桁架结构设计方法，具体包括以下内容：
步骤1：图1为实际空间桁架结构受力分析图，结合图1所示，根据实际空间桁架结构的受载情况，对载荷进行分解、简化，确定出空间桁架结构承受横向剪力偶和垂向剪力偶；考虑到实际空间桁架结构的侧壁较高，承受垂向剪力偶的能力较强，承受横向剪力偶的能力较弱，通过设计空间桁架结构的端面接头刚度，可增加垂向剪力偶，以提高空间桁架结构的承载效率。
步骤2：图2为空间桁架结构有限元模型，结合图2所示，将空间桁架结构在PATRAN中进行有限元建模，使用杆元模拟空间桁架结构的杆件；使用弹簧元模拟空间桁架结构端面的接头刚度，调整弹簧元刚度大小，可实现调整垂向剪力偶的大小；空间桁架结构的一端施加固支的边界条件，另一端施加扭矩载荷1000kN*m；
步骤3：以重量最轻化为目标函数，给定杆元初始截面积为50mm2，杆元面积变化范围为10mm2～5000mm2，应力约束为杆元轴应力小于400MPa，位移约束为空间桁架结构剖面的开口边缘两点相对变形小于40mm，使用SOL200求解器对空间桁架结构模型进行杆元截面积优化；
步骤4：使用二分法，调整空间桁架结构有限元模型中弹簧元垂向和横向的刚度比，将垂向剪力偶和横向剪力偶进行重新分配；
步骤5：重复步骤3和步骤4，得到当弹簧元垂向和横向的刚度比约为10:1时，空间桁架结构的质量最小为0.55吨。
步骤6：步骤5得到了最合理的空间桁架结构杆截面积分布以及空间桁架结构接头的垂向和横向刚度比，将空间桁架结构的杆截面重新设计为工字型，并将空间桁架结构的端面接头垂向和横向刚度比设计为10:1，得到优化后的空间桁架结构，如图3所示。

Claims (5)

1.一种大跨度开剖面舱体空间桁架结构设计方法，其特征在于，所述空间桁架结构设计方法包括：步骤1：根据实际空间桁架结构的受载情况，对载荷进行分解、简化，确定出实际空间桁架结构承受的初始横向剪力偶和初始垂向剪力偶；步骤1中，实际空间桁架结构的两端承受扭矩载荷，将扭矩载荷简化为横向剪力偶和垂向剪力偶，确定出空间桁架结构承受的初始横向剪力偶和初始垂向剪力偶；其中，初始垂向剪力偶大于初始横向剪力偶；步骤2：将空间桁架结构进行有限元建模，使用杆元模拟空间桁架结构的杆件；使用弹簧元模拟空间桁架结构端面的接头；空间桁架结构模型的一端施加固支的边界条件，另一端施加扭矩载荷；步骤3：以重量最轻化为目标函数，在多约束条件下，对空间桁架结构模型进行杆元截面积优化；步骤3中，通过调整弹簧元的刚度，实现空间桁架结构端面接头刚度大小的调整；通过调节空间桁架结构模型的端面接头刚度，实现对垂向剪力偶和横向剪力偶的再分配；步骤3中，通过提高空间桁架结构模型端面接头的垂向刚度，用以提高垂向剪力偶；步骤4：调整空间桁架结构有限元模型中弹簧元垂向和横向的刚度比，将空间桁架结构模型的垂向剪力偶和横向剪力偶进行再分配；步骤5：重复步骤3和步骤4，当空间桁架结构模型的重量趋于稳定后，得到空间桁架结构模型最优的杆元截面积以及弹簧元垂向和横向的刚度比；最优空间桁架结构有限元模型中杆元的截面形状都为正方形；步骤6：将得到的最优空间桁架结构模型中的杆的截面形状再设计为工字形或空心圆，以提高杆的承载能力；将得到的最优空间桁架结构模型中的接头设计为侧向加筋的接头。
2.根据权利要求1所述的空间桁架结构设计方法，其特征在于，步骤2中，空间桁架结构有限元模型的杆元和弹簧元的连接方式均为铰接，初始的杆元截面积为50-100mm2。
3.根据权利要求1所述的空间桁架结构设计方法，其特征在于，步骤3中，多约束条件包括实际空间桁架结构实际应用的位移约束及应力约束。
4.根据权利要求1所述的空间桁架结构设计方法，其特征在于，步骤4中，通过二分法调整弹簧元垂向和横向的刚度比。
5.根据权利要求1所述的空间桁架结构设计方法，其特征在于，步骤2中，扭矩载荷的施加根据实际空间桁架结构承受的扭矩载荷进行施加。
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