CN112763166A - 一种矩形机身舱体大开口结构侧向刚度确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于航空结构设计领域，特别是一种矩形机身舱体大开口结构侧向刚度确定方法。该方法包括：给定期望的具有大开口结构的矩形机身和无大开口结构的矩形机身的侧向弯刚度比ζ和矩形机身的矩形剖面长宽壁厚；两个矩形机身除大开口结构之外结构相同；根据矩形剖面长宽壁厚确定上边梁面积和下边梁面积之和，以补偿具有大开口结构的矩形机身的侧向弯刚度至ζ倍的无大开口结构的矩形机身的侧向弯刚度。

Description

一种矩形机身舱体大开口结构侧向刚度确定方法
技术领域
本发明属于航空结构设计领域，特别是一种矩形机身舱体大开口结构侧向刚度确定方法。
背景技术
大开口结构切断了飞机结构传力路线，是飞机设计的难点。常规的圆形机身大开口由少量的设计依据，而矩形开口是特殊的舱体开口，为一种新型的结构形式，型号设计中缺乏设计经验，且飞机设计资料中缺乏该中类型结构的介绍。
为了将大开口区对机身的影响降到最小，满足刚度连续、变形协调的要求，就必须对开口区进行加强。然而，机身大开口加强设计的技术资料很少公开发表，以至设计技术和经验相对比较缺乏。
发明内容
发明目的：本发明推导出了侧向刚度比的解析表达式，解决了对于飞机矩形大开口结构设计加强无理论依据的困境，完善了现有资料关于大开口设计部分的内容，解决了结构设计盲目性问题。
技术方案：
一种矩形机身舱体大开口结构侧向刚度确定方法，包括：
给定期望的具有大开口结构的矩形机身和无大开口结构的矩形机身的侧向弯刚度比ζ和矩形机身的矩形剖面长宽壁厚；两个矩形机身除大开口结构之外结构相同；
根据矩形剖面长宽壁厚确定上边梁面积和下边梁面积之和，以补偿具有大开口结构的矩形机身的侧向弯刚度至ζ倍的无大开口结构的矩形机身的侧向弯刚度。
进一步的，上边梁面积和下边梁面积之和的第一面积和公式为：
Figure BDA0002868496200000021
其中，b为矩形剖面的宽度；h为矩形剖面的高度；δ0和δ为两个矩形机身的壁厚。
进一步的，根据确定上边梁面积和下边梁面积之和，包括：
根据预设的侧向弯刚度比的表达式，绘制刚度比曲线图，刚度比曲线图展示不同b/h的刚度比曲线；
在该矩形剖面的b/h的刚度比曲线中，查找ζ对应的两剖面的面积比p；
根据第二面积和公式，计算上边梁面积和下边梁面积之和；第二面积和公式为：
Figure BDA0002868496200000022
进一步的，刚度比的表达式为：
Figure BDA0002868496200000023
ξ表示刚度比，EIy为具有大开口结构的矩形机身的刚度；E0Iy0为无大开口结构的矩形机身的刚度，E是具有大开口结构的矩形机身的弹性模量，E0是无大开口结构的矩形机身的弹性模量，Iy是具有大开口结构的矩形机身的惯性矩，Iy0是无大开口结构的矩形机身的惯性矩。
进一步的，所述方法还包括：
建立具有大开口结构的矩形机身的模型；
建立无大开口结构的矩形机身的模型；
根据上述模型的参数，确定具有大开口结构的矩形机身和无大开口结构的矩形机身的侧向弯刚度比的表达式。
进一步的，在无大开口结构的矩形机身的模型的坐标系中，坐标原点o为剖面几何中心点，z轴沿着剖面高度方向指向上为正，y轴沿着剖面宽度方向指向右侧为正。
进一步的，在具有大开口结构的矩形机身的模型的坐标系中，坐标原点o为剖面几何中心点，z轴沿着剖面高度方向指向上为正，y轴沿着剖面宽度方向指向右侧为正。
一种计算机可读的存储介质，其上存储有计算机指令，所述指令被处理器执行时实现上述方法。
有益效果：本发明可以通过计算公式或图表快速得到上、下边梁应该加强的面积值，不需要建立有限元模型即可实现目标，极大地提高了分析效率。
附图说明
图1为大开口结构计算模型示意图；
图2为无大开口计算模型图；
图3为侧向弯曲刚度比曲线图。
具体实施方式
本发明提出一种矩形机身舱体大开口结构侧向刚度确定方法，包括：
(1)建立矩形机身大开口结构模型
对于矩形大开口结构，通常在四个角点处布置加强梁，典型的加强型机身大开口结构剖面示意图如图1所示。坐标原点o为剖面几何中心点，z轴沿着剖面高度方向指向上为正，y轴沿着剖面宽度方向指向右侧为正。
图1中b为矩形开口剖面宽度，h为矩形开口剖面高度，δ为矩形开口剖面壁厚，Fup为左、右侧上边梁集中面积；Fdown为左、右侧下边梁集中面积；
(2)无大开口计算模型
矩形机身无开口的模型示意图见图2。坐标原点o为剖面几何中心点，z轴沿着剖面高度方向指向上为正，y轴沿着剖面宽度方向指向右侧为正。
图2中b为矩形剖面宽度，h为矩形剖面高度，δ0为无开口机身结构壁厚。
(3)计算大开口结构侧向弯曲刚度
定义模型绕z轴的弯曲刚度为侧向弯曲刚度。
图1中所示模型对形心主轴z的惯性矩为：
Figure BDA0002868496200000031
大开口结构侧向弯曲刚度为EIz；上式中，E为材料的弹性模量。
(4)计算无开口结构侧向弯曲刚度
经计算，图2中模型绕形心轴的惯性矩为：
Figure BDA0002868496200000041
无开口结构垂向弯曲刚度为E0Iz0
上式中。E0为无开口结构材料的弹性模量。
(4)侧向弯曲刚度比
大开口结构与无大开口机身结构的刚度比ζ为：
Figure BDA0002868496200000042
一般地，飞机设计均采用铝合金系列材料，故E＝E0
ζ＝1，表明大开口结构模型的刚度EIz与未开口机身模型的刚度E0Iz0相当，在结构设计时，根据ζ的表达式便能确定出满足侧向刚度要求的条件下结构该如何加强。
当确定刚度比表达式后，有以下两条途径解决问题：
一种为采用步骤(5)——即图表法；
另一种为采用步骤(6)——公式化确定法
(5)绘制刚度比确定加强曲线
一般地，矩形剖面机身下壁板开口后的结构，认为其壁厚与开口前壁厚一致，仅通过调整上、下边梁面积进行补强，故有δ＝δ0
根据刚度比公式ζ表达式设置一系列不同的上、下边梁剖面面积值，并利用excel软件计算出一系列数据并作出刚度比曲线见图3。
图中A1为开口加强结构的面积，A1为无开口模型面积，且有：
A1＝(b+2h)δ+2(Fup+Fdown)；
A0＝2(b+h)δ0；
根据矩形大开口机身剖面尺寸b/h的值，查对应的刚度比曲线；
设计适当的补强量ζ，根据刚度比曲线查到对应的
Figure BDA0002868496200000043
值，该比值记为p，对应于图上的横坐标轴；
由
Figure BDA0002868496200000051
可得：
Figure BDA0002868496200000052
一般地，对于侧向弯曲刚度的补强，只需保证上、下边梁的总面积即可。
(6)公式化确定上、下边梁面积表达式
由刚度比表达式，可得任意比值ζ下的边梁面积应满足的关系为：
Figure BDA0002868496200000053
实施例1
某一矩形机身剖面，其宽度为b＝3000mm，高度为h＝1500mm，壁厚δ0＝2mm，下壁由于舱体大开口，需要在四个角点布置边梁进行加强，当侧向弯曲刚度与开口前刚度一致时，边梁需补偿的面积Fup与Fdown如何确定？
方法一：
由该结构尺寸数据，
Figure BDA0002868496200000054
当要求开口补强后结构刚度与开口前刚度一致，即ζ＝1时，查对应的刚度比曲线图(图3)可得A1/A0＝p＝0.78
根据公式，上、下边梁的总面积为：
Figure BDA0002868496200000055
方法二：
当要求开口补强后结构刚度与开口前刚度一致，即ζ＝1时
应用公式计算：
Figure BDA0002868496200000056
两种方法所得计算误差(1000 1020)最大2％，这是由于查图表的读数精度以及计算保留有效数位等原因导致，工程上该误差可以不计。

Claims (8)

1.一种矩形机身舱体大开口结构侧向刚度确定方法，其特征在于，包括：
给定期望的具有大开口结构的矩形机身和无大开口结构的矩形机身的侧向弯刚度比ζ和矩形机身的矩形剖面长宽壁厚；两个矩形机身除大开口结构之外结构相同；
根据矩形剖面长宽壁厚确定上边梁面积和下边梁面积之和，以补偿具有大开口结构的矩形机身的侧向弯刚度至ζ倍的无大开口结构的矩形机身的侧向弯刚度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，上边梁面积和下边梁面积之和的第一面积和公式为：
Figure FDA0002868496190000011
其中，b为矩形剖面的宽度；h为矩形剖面的高度；δ0和δ为两个矩形机身的壁厚。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据确定上边梁面积和下边梁面积之和，包括：
根据预设的侧向弯刚度比的表达式，绘制刚度比曲线图，刚度比曲线图展示不同b/h的刚度比曲线；
在该矩形剖面的b/h的刚度比曲线中，查找ζ对应的两剖面的面积比p；
根据第二面积和公式，计算上边梁面积和下边梁面积之和；第二面积和公式为：
Figure FDA0002868496190000012
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，刚度比的表达式为：
Figure FDA0002868496190000013
ξ表示刚度比，EIy为具有大开口结构的矩形机身的刚度；E0Iy0为无大开口结构的矩形机身的刚度，E是具有大开口结构的矩形机身的弹性模量，E0是无大开口结构的矩形机身的弹性模量，Iy是具有大开口结构的矩形机身的惯性矩，Iy0是无大开口结构的矩形机身的惯性矩。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
建立具有大开口结构的矩形机身的模型；
建立无大开口结构的矩形机身的模型；
根据上述模型的参数，确定具有大开口结构的矩形机身和无大开口结构的矩形机身的侧向弯刚度比的表达式。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在无大开口结构的矩形机身的模型的坐标系中，坐标原点o为剖面几何中心点，z轴沿着剖面高度方向指向上为正，y轴沿着剖面宽度方向指向右侧为正。
7.根据权利要求5所述的方法啊，其特征在于，在具有大开口结构的矩形机身的模型的坐标系中，坐标原点o为剖面几何中心点，z轴沿着剖面高度方向指向上为正，y轴沿着剖面宽度方向指向右侧为正。
8.一种计算机可读的存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，所述指令被处理器执行时实现权利要求1-7任一项所述的方法。
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