CN112699468A - 主翼面后缘结构及避免后缘卷曲及连接破坏强度分析方法 - Google Patents

主翼面后缘结构及避免后缘卷曲及连接破坏强度分析方法 Download PDF

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周银华
程文杰
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Abstract

本发明涉及结构强度分析技术领域，特别涉及主翼面后缘结构及避免后缘卷曲及连接破坏强度分析方法。该结构包括：主翼面后缘壁板1、密封结构2、动翼面3；其中，密封结构2包括连接区B和夹芯区A；连接区B与主翼面后缘壁板1机械连接，夹芯区A的顶端与夹芯区B接触或存在间隙；连接区B是复材承压板结构，夹芯区A包括内面板A2、外面板A1和橡胶芯子A3；内面板A2和外面板A1之间填充橡胶芯子A3。

Description

主翼面后缘结构及避免后缘卷曲及连接破坏强度分析方法
技术领域
本发明涉及结构强度分析技术领域，特别涉及主翼面后缘结构及避免后缘卷曲及连接破坏强度分析方法。
背景技术
后缘结构作为飞机的次承力结构，其结构构型设计主要参照已有型号设计经验。在动翼面重复大行程操纵下，载荷形式复杂，结构屈曲严重，局部连接产生破坏，现有分析主要局限在工程经验方面，已不能满足操纵面型号设计需求。
发明内容
发明目的：适用于大型飞机主翼面后缘密封结构的强度设计，以避免其卷曲强度破坏和连接强度破坏。此发明具有较大应用价值，已在某型号主翼面后缘密封结构设计中使用。
技术方案：
一种主翼面后缘结构，包括：主翼面后缘壁板1、密封结构2、动翼面3；
其中，密封结构2包括连接区B和夹芯区A；连接区B与主翼面后缘壁板1机械连接，夹芯区A的顶端与夹芯区B接触或存在间隙；连接区B是复材承压板结构，夹芯区A包括内面板A2、外面板A1和橡胶芯子A3；内面板A2和外面板A1之间填充橡胶芯子A3。
进一步的，橡胶芯子A3为蜂窝结构，其分布厚度与总体外形布置相关。
一种避免后缘卷曲及连接破坏强度分析方法，包括：
对密封结构进行静态应力分析，得到应力以及变形分布趋势；
依据应力以及变形分布趋势，对密封结构的内外面板在预设约束条件下进行结构参数优化，得到内外面板的最优结构参数；预设约束条件包括：体积比、结构最大变形、制造工艺。
进一步的，对密封结构进行静态应力分析，得到应力以及变形分布趋势，包括：
依据总体外形、内外面板的最大厚度，确定橡胶芯子的最小厚度；将橡胶芯子的最小厚度和内外面板的最大厚度作为密封结构的初始结构参数；
采用“组合元素法”对具有初始结构参数的密封结构进行有限元建模；
将内外面板材料的表征、橡胶芯子材料特性的表征输入模型；
将内外面板、内外面板三部分的刚度矩阵进行叠加，并进行有限元线性迭代求解，得到其应力云图及变形云图。
进一步的，依据应力以及变形分布趋势，对密封结构的内外面板在预设约束条件下进行结构参数优化，得到内外面板的最优结构参数，包括：
以密封结构重量最小化为目标函数，以预设的体积比、结构最大变形、面板最大/最小厚度尺寸限制作为约束条件，冻结模型的橡胶芯子区域的优化，对模型的内外面板进行结构参数优化。
进一步的，得到内外面板的最优结构参数之后，所述方法还包括：
采用“组合元素法”对具有初始优化后的结构参数的密封结构进行有限元建模，得到应力数值；
根据应力数值中最大值计算螺栓剪切载荷；
根据螺栓剪切载荷和最优结构参数，计算内外面板钉孔挤压应力；
根据内外面板钉孔挤压应力和许用挤压应力，确定内外面板钉孔挤压强度的安全裕度。
进一步的，采用“组合元素法”对具有初始结构参数的密封结构进行有限元建模，包括：
将内外面板分别等效为二维各向异性层压板单元，单元选取弯曲板元S4R，网格尺寸10mm；将橡胶芯子等效为各向异性三维体单元，单元选取弯曲板元C3D8R，网格尺寸10mm。
进一步的，夹芯区的厚度是决定卷曲破坏和连接破坏的关键参数，其中，厚度越大，其结构复合应力越低。
进一步的，连接区运选用大弹性模量的复合材料，以有效提高连接区临界连接应力，以防止连接区发生连接破坏。
有益效果：
创造性地对后缘密封结构的截面形式、密封橡胶弹性、压紧干涉量进行结构再次优化设计，有效解决了主翼面后缘与动翼面之间的卷曲干涉破坏和连接强度破坏，保证了飞机安全。
附图说明
图1为后缘密封结构受力图；
图2为本发明夹芯区结构平面内受弯示意图；
图3为本发明后缘密封结构有限元网格图；
图4为橡胶的典型应力-应变曲线；
图5a为后缘密封结构应力图；
图5b为后缘密封结构变形图；
图6为优化后内外面板结构参数的示意图；
图7为本发明提供的机翼后缘密封结构的示意图。
具体实施方式
已知某大型飞机主翼面后缘结构，主要有主翼面后缘壁板、密封结构组成，后缘壁板与复材密封结构通过连接区机械连接，此后缘结构主要保证动翼面运动过程中密封性能。由于动翼面运动过程中后缘结构产生复材密封结构的卷曲破坏及连接区的连接破坏，这使得后缘复材密封结构的优化设计成为必然。
a)对密封结构进行工程受力分析如图1所示：
A端为密封结构与动翼面密封接触区，B段为密封结构胡连接区，A段承受动翼面结构的压紧力F、压紧力F产生的摩擦力Q＝μF及摩擦力对A段偏心力矩M1＝Qδ/2。
A段横截面面积S，抗弯截面系数W，A端为复合受力，轴压应力由摩擦力Q和弯矩M1引起，剪切载荷由压紧力引起，依据第四强度理论，A段承受复合应力最大为
Figure BDA0002869599980000041
其中
Figure BDA0002869599980000042
则
Figure BDA0002869599980000043
式中μ为摩擦系数，δ为A段厚度。
一定的壁板宽度，F一定情况下增加A段厚度δ，则有效降低A段的复合应力，有效防止A段卷曲破坏。
B段承受动翼面结构的压紧力F、截面面积B，压紧力F产生的摩擦力Q＝μF及压紧力F对B段的偏心力矩M2＝FL-M1，依据第四强度理论，B段承受复合应力最大为
Figure BDA0002869599980000044
由于力矩M2影响占主，提高材料刚度及高度有效降低B端复材应变。
b)对B段进行结构选型优化
基于步骤(1),增加B段厚度δ,有效降低B段复合应力，并运用大弹性模量的复合材料结构，有效提高B段临界连接应力σxcr，以防止B段发生连接破坏。
Figure BDA0002869599980000045
式中，D11、D12、D22、D66是指层压板的弯曲刚度系数，m板长度方向的半波数，a、b、t是指板的长度、宽度和厚度。
c)对密封结构A段进行有限元分析并对结构参数进行优化：
为有效承载A段弯矩，降低其弯曲应力，将A段结构设计为夹芯结构，作为夹芯区，如图2所示：由外面板A1、内面板A2和橡胶芯子A3组成。弯曲载荷作用下，内外面板以拉压载荷形式平衡整体弯矩。
(1)采用“组合元素法”的进行有限元建模：
该方法的总体建模思路是将蜂窝夹层结构外面板、中间蜂窝芯子、内面板分别进行建模，将内外面板分别等效为二维各向异性层压板单元，单元选取弯曲板元S4R，网格尺寸10mm；将橡胶芯子等效为各向异性三维体单元，单元选取弯曲板元C3D8R，网格尺寸10mm，有限元网格见图3；
(2)合理表征内外面板、橡胶芯子材料特性：
上下面板为碳纤维复合材料，采用正交各项层压板表述；橡胶芯子为一种高度超弹性材料(非线性弹性)，见图4，其应力应变关系采用应变势能U来表达超弹性材料的应力-应变关系，多项式应变势能U表达为，
Figure BDA0002869599980000051
Cij描述肋材料的剪切性能，Di代表肋材料的可压缩性；
(3)矩阵迭代求解：
将三部分的刚度矩阵进行叠加，得到组合元素的刚度矩阵K＝K1+K2+K3，再进行有限元线性迭代求解，得到其应力云图及变形云图，见图5a和图5b；
式中，K1、K2、K3指外面板、中间蜂窝芯子、内面板刚度。
(4)优化内外面板铺层参数，得到满足约束条件的结构参数：
内外面板为主要承力件，对其进行结构参数优化；以结构重量最小化为目标函数，以体积比(体积比0.1)和结构最大变形(最大变形13mm)作为约束条件，冻结橡胶芯子区域优化，考虑加工工艺影响，设置最大/最小原件尺寸限制(单元最小尺寸1.296mm、最大尺寸3.5mm)，数学表述如下；
Figure BDA0002869599980000052
s.t.
Figure BDA0002869599980000053
u≤uf
δ1≤δ≤δ2
式中，wij(x1,…,xk)、V0、Vf、uf、δ1、δ、δ2是指重量函数、优化前体积、优化后体积、优化后变形数值、优化最小厚度、优化厚度、优化最大厚度。
其优化后内外面板结构参数见图6。
d)对图6结构参数进行连接强度计算，得到满足连接强度最优结构参数，具体结构见图7。
螺栓剪切载荷
Figure BDA0002869599980000061
内外面板钉孔挤压应力为：
Figure BDA0002869599980000062
内外面板钉孔挤压强度的安全裕度为：
Figure BDA0002869599980000063
式中，α、Q、L、n、D、t、[σbr]是指钉载分配系数、面板剪流、钉间距、钉排数、钉孔直径、面板厚度、面板许用挤压应力。

Claims (9)

1.一种主翼面后缘结构，其特征在于，包括：主翼面后缘壁板(1)、密封结构(2)、动翼面(3)；
其中，密封结构(2)包括连接区(B)和夹芯区(A)；连接区(B)与主翼面后缘壁板(1)机械连接，夹芯区(A)的顶端与夹芯区(B)接触或存在间隙；连接区(B)是复材承压板结构，夹芯区(A)包括内面板(A2)、外面板(A1)和橡胶芯子(A3)；内面板(A2)和外面板(A1)之间填充橡胶芯子(A3)。
2.根据权利要求1所述的结构，其特征在于，橡胶芯子(A3)为蜂窝结构，其分布厚度与总体外形布置相关。
3.一种避免后缘卷曲及连接破坏强度分析方法，其特征在于，包括：
对密封结构进行静态应力分析，得到应力以及变形分布趋势；
依据应力以及变形分布趋势，对密封结构的内外面板在预设约束条件下进行结构参数优化，得到内外面板的最优结构参数；预设约束条件包括：体积比、结构最大变形、制造工艺。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对密封结构进行静态应力分析，得到应力以及变形分布趋势，包括：
依据总体外形、内外面板的最大厚度，确定橡胶芯子的最小厚度；将橡胶芯子的最小厚度和内外面板的最大厚度作为密封结构的初始结构参数；
采用“组合元素法”对具有初始结构参数的密封结构进行有限元建模；
将内外面板材料的表征、橡胶芯子材料特性的表征输入模型；
将内外面板、内外面板三部分的刚度矩阵进行叠加，并进行有限元线性迭代求解，得到其应力云图及变形云图。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，依据应力以及变形分布趋势，对密封结构的内外面板在预设约束条件下进行结构参数优化，得到内外面板的最优结构参数，包括：
以密封结构结构重量最小化为目标函数，以预设的体积比、结构最大变形、面板最大/最小厚度尺寸限制作为约束条件，冻结模型的橡胶芯子区域的优化，对模型的内外面板进行结构参数优化。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，得到内外面板的最优结构参数之后，所述方法还包括：
采用“组合元素法”对具有初始优化后的结构参数的密封结构进行有限元建模，得到应力数值；
根据应力数值中最大值计算螺栓剪切载荷；
根据螺栓剪切载荷和最优结构参数，计算内外面板钉孔挤压应力；
根据内外面板钉孔挤压应力和许用挤压应力，确定内外面板钉孔挤压强度的安全裕度。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，采用“组合元素法”对具有初始结构参数的密封结构进行有限元建模，包括：
将内外面板分别等效为二维各向异性层压板单元，单元选取弯曲板元S4R，网格尺寸10mm；将橡胶芯子等效为各向异性三维体单元，单元选取弯曲板元C3D8R，网格尺寸10mm。
8.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，夹芯区的厚度是决定卷曲破坏和连接破坏的关键参数，其中，厚度越大，其结构复合应力越低。
9.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，连接区运选用大弹性模量的复合材料，以有效提高连接区临界连接应力，以防止连接区发生连接破坏。
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