CN113190923B - 一种筋条整体壁板损伤容限优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于飞机结构损伤容限设计领域，公开了一种筋条整体壁板损伤容限优化方法，包括整体壁板加筋比的确定、筋条敏感参数识别、结构尺寸优化矩阵的建立、含裂纹整体壁板有限元模型建立、应力强度因子k的计算、裂纹扩展寿命的计算，以及通过不同尺寸下裂纹扩展寿命的对比确定最优结构参数。

Description

一种筋条整体壁板损伤容限优化方法
技术领域
本发明属于飞机结构损伤容限设计领域，特别是涉及到一种筋条整体壁板损伤容限优化方法。
背景技术
整体壁板由于具有疲劳性能好、制造简单、结构重量轻的优点，已经在多个中大型飞机结构中得到应用。但是，与传统的铆接壁板相比，整体壁板缺乏天然止裂原件——长桁与蒙皮连接的铆钉，使得损伤容限性能较差，因此如何通过筋条的优化设计来提高整体壁板的损伤容限特性，是整体壁板用于飞机结构的重要设计点。在过去几年里，整体壁板在结构设计时，一般关注静强度性能，若满足要求，仅仅对壁板是否满足损伤要求进行被动式校核，而没有进行主动的损伤容限优化，这就使得壁板的裂纹扩展性能不能达到最优，没有最大限度的提高损伤容限性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种筋条整体壁板损伤容限优化方法，解决在整体壁板优化设计上流程和方法缺乏的问题，从而最大程度上挖掘整体壁板的损伤容限性能，保证飞机使用安全。该方法也可以借鉴用于其他筋条形式的整体壁板损伤容限优化设计。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
一种筋条整体壁板损伤容限优化方法，包括以下步骤：
S1，确定筋条整体壁板的多组待优化参数，组成优化矩阵；
S2，选择所述优化矩阵中的一组筋条参数；
S3，建立至少含有两根筋条的整体壁板有限元模型，并在中心蒙皮处假设初始长度为a的穿透裂纹；
S4，在所述有限元模型中扩展所述穿透裂纹，并计算所述一组筋条参数下的裂纹扩展寿命；
S5，比较不同筋条参数下的裂纹扩展寿命，选取裂纹扩展寿命最大的筋条参数为最优结果，在所述最有结果下整体壁板损伤容限性能最好。
本发明技术方案的特点和进一步的改进为：
(1)S1，具体为：
S11，给定蒙皮厚度,桁距，根据加筋比、蒙皮厚度以及桁距计算筋条截面积；
S12，给定整体壁板的弯曲刚度、重量指标，根据弯曲刚度、重量指标确定筋条尺寸的敏感性参数；所述敏感性参数为：筋条厚度、长桁高度和缘条宽度；
S13，根据筋条截面积，在筋条厚度、长桁高度和缘条宽度的合理范围内确定出多组筋条厚度、长桁高度和缘条宽度的值；将蒙皮厚度、桁距、筋条厚度、长桁高度、缘条宽度组成优化矩阵。
(2)S4，具体为：
S41，获取应力强度因子随裂纹长度的变化曲线，且裂纹需扩展至穿过筋条；
S42，计算裂纹扩展寿命，获得该筋条参数下的裂纹扩展曲线；
S43，按照优化矩阵，选择下一组筋条参数，重复S3至S5，获得不同筋条参数下的裂纹扩展曲线及裂纹扩展寿命.
(3)S41，具体为：
其中K为应力强度因子，β为无量纲应力强度因子，o为参考应力，α为裂纹长度。
(4)S42具体为：采用walker公式计算裂纹扩展寿命N：
其中，R为应力比，C、m、q、n为材料常数。
(5)S11中，所述加筋比的确定方法为：
根据筋条截面积Astr和两个长桁之间的蒙皮面积Askin，确定整体壁板的加筋比
(6)S4中，在所述有限元模型中扩展所述穿透裂纹，采用自适应网格划分进行裂纹扩展。
(7)所述筋条整体壁板的剖面形式为“T”、“L”或“I”型。
本发明结合传统优化设计方法与断裂力学，建立了适用于整体加筋壁板损伤容限设计方法和流程，采用本方法确定出的筋条尺寸，能够在满足静力和重量指标条件下，最大限度的延缓裂纹扩展速度，提高了整体壁板的损伤容限性能，从而更能够保证整体壁板在飞机结构中的安全使用。本发明使用的理论依据正确，分析步骤清晰、简单，计算过程便于计算机自动化迭代计算。本发明的提出解决了飞机结构中采用整体壁板时是否能够满足损伤容限要求的难题。
附图说明
图1是一种筋条整体壁板损伤容限优化方的流程示意图；
图2是“Z”型筋条的整体壁板剖面示意图；
图3是整体壁板含裂纹的总体有限元模型；
图4是裂纹尖端有限元网格图；
其中，1-蒙皮，2-Z型筋条，t1-蒙皮厚度，B-长桁间距，H-筋条高度，W-筋条宽度，t2-筋条厚度。
具体实施方式
本发明实施例提供一种筋条整体壁板损伤容限优化方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1，确定筋条整体壁板的多组待优化参数，组成优化矩阵；
S2，选择所述优化矩阵中的一组筋条参数；
S3，建立至少含有两根筋条的整体壁板有限元模型，并在中心蒙皮处假设初始长度为a的穿透裂纹；
S4，在所述有限元模型中扩展所述穿透裂纹，并计算所述一组筋条参数下的裂纹扩展寿命；
S5，比较不同筋条参数下的裂纹扩展寿命，选取裂纹扩展寿命最大的筋条参数为最优结果，在所述最有结果下整体壁板损伤容限性能最好。
进一步的：
(1)S1，具体为：
S11，给定蒙皮厚度,桁距，根据加筋比、蒙皮厚度以及桁距计算筋条截面积；
S12，给定整体壁板的弯曲刚度、重量指标，根据弯曲刚度、重量指标确定筋条尺寸的敏感性参数；所述敏感性参数为：筋条厚度、长桁高度和缘条宽度；
S13，根据筋条截面积，在筋条厚度、长桁高度和缘条宽度的合理范围内确定出多组筋条厚度、长桁高度和缘条宽度的值；将蒙皮厚度、桁距、筋条厚度、长桁高度、缘条宽度组成优化矩阵。
(2)S4，具体为：
S41，获取应力强度因子随裂纹长度的变化曲线，且裂纹需扩展至穿过筋条；
S42，计算裂纹扩展寿命，获得该筋条参数下的裂纹扩展曲线；
S43，按照优化矩阵，选择下一组筋条参数，重复S3至S5，获得不同筋条参数下的裂纹扩展曲线及裂纹扩展寿命.
(3)S41，具体为：
其中K为应力强度因子，β为无量纲应力强度因子，σ为参考应力，a为裂纹长度。
(4)S42具体为：采用walker公式计算裂纹扩展寿命N：
其中，R为应力比，C、m、q、n为材料常数。
(5)S11中，所述加筋比的确定方法为：
根据筋条截面积Astr和两个长桁之间的蒙皮面积Askin，确定整体壁板的加筋比
(6)S4中，在所述有限元模型中扩展所述穿透裂纹，采用自适应网格划分进行裂纹扩展。
(7)所述筋条整体壁板的剖面形式为“T”、“L”或“I”型。
下面以某一具体实例对本发明做进一步详细说明。
一种“Z”型筋条整体壁板损伤容限优化设计的方法，包括以下步骤：
步骤一、根据筋条截面积Astr和一个长桁距离下的蒙皮面积Askin，确定整体壁板的加筋比
步骤二、蒙皮厚度t1＝5mm，筋条间距B＝160mm，根据加筋比R0＝0.3计算筋条截面积Astr＝325mm2；
步骤三、在给定的弯曲刚度、重量指标下，确定的敏感参数为：筋条厚度t2、、高度H和宽度w，如图2所示。
步骤四：确定筋条整体壁板的五组待优化参数，组成优化矩阵，如表1所示；
表1优化矩阵
步骤五、选择第1种筋条参数，建立至少含有2根筋条的整体壁板有限元模型，并在中心蒙皮处假设长度为a＝20mm的穿透裂纹，如图3和图4所示；
步骤六、结合网格自适应软件，获取应力强度因子随裂纹长度K的变化曲线，裂纹需扩展至穿过筋条；
其中，β为构型因子，o为参考应力，a为裂纹长度。
步骤七、利用walker计算公式，计算裂纹扩展寿命N，获得该筋条尺寸下的裂纹扩展曲线，walker公式如下：
其中，/>R为应力比，C、m、q、n为材料常数。
步骤八、按照优化矩阵，依次改变筋条尺寸，重复步骤六至步骤八，获得不同筋条尺寸下的裂纹扩展寿命，如表2所示。
表2各构型下优化结果
步骤九、比较表2中不同筋条尺寸下的裂纹扩展寿命，可以看出构型3的裂纹扩展寿命最长，因此构型3的尺寸为最优结果。
本发明结合传统优化设计方法与断裂力学，建立了适用于整体加筋壁板损伤容限设计方法和流程，采用本方法确定出的筋条尺寸，能够在满足静力和重量指标条件下，最大限度的延缓裂纹扩展速度，提高了整体壁板的损伤容限性能，从而更能够保证整体壁板在飞机结构中的安全使用。本发明使用的理论依据正确，分析步骤清晰、简单，计算过程便于计算机自动化迭代计算。本发明的提出解决了飞机结构中采用整体壁板时是否能够满足损伤容限要求的难题。

Claims (6)

1.一种筋条整体壁板损伤容限优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，确定筋条整体壁板的多组待优化参数，组成优化矩阵；
S2，选择所述优化矩阵中的一组筋条参数；
S3，建立至少含有两根筋条的整体壁板有限元模型，并在中心蒙皮处假设初始长度为a的穿透裂纹；
S4，在所述有限元模型中扩展所述穿透裂纹，并计算所述一组筋条参数下的裂纹扩展寿命；
S5，比较不同筋条参数下的裂纹扩展寿命，选取裂纹扩展寿命最大的筋条参数为最优结果，在所述最优结果下整体壁板损伤容限性能最好；
S1，具体为：
S11，给定蒙皮厚度、桁距，根据加筋比、蒙皮厚度以及桁距计算筋条截面积；
S12，给定整体壁板的弯曲刚度、重量指标，根据弯曲刚度、重量指标确定筋条尺寸的敏感性参数；所述敏感性参数为：筋条厚度、长桁高度和缘条宽度；
S13，根据筋条截面积，在筋条厚度、长桁高度和缘条宽度的合理范围内确定出多组筋条厚度、长桁高度和缘条宽度的值；将蒙皮厚度、桁距、筋条厚度、长桁高度、缘条宽度组成优化矩阵；
S4，具体为：
S41，获取应力强度因子随裂纹长度的变化曲线，且裂纹需扩展至穿过筋条；
S42，计算裂纹扩展寿命，获得该筋条参数下的裂纹扩展曲线；
S43，按照优化矩阵，选择下一组筋条参数，重复S3至S5，获得不同筋条参数下的裂纹扩展曲线及裂纹扩展寿命。
2.根据权利要求1所述的一种筋条整体壁板损伤容限优化方法，其特征在于，S41，具体为：
其中K为应力强度因子，β为无量纲应力强度因子，σ为参考应力，a为裂纹长度。
3.根据权利要求1所述的一种筋条整体壁板损伤容限优化方法，其特征在于，S42具体为：采用walker公式计算裂纹扩展寿命N：
其中，R为应力比，C、m、q、n为材料常数。
4.根据权利要求1所述的一种筋条整体壁板损伤容限优化方法，其特征在于，
S11中，加筋比的确定方法为：
根据筋条截面积Astr和两个长桁之间的蒙皮面积Askin，确定整体壁板的加筋比
5.根据权利要求1所述的一种筋条整体壁板损伤容限优化方法，其特征在于，S4中，在所述有限元模型中扩展所述穿透裂纹，采用自适应网格划分进行裂纹扩展。
6.根据权利要求1所述的一种筋条整体壁板损伤容限优化方法，其特征在于，所述筋条整体壁板的剖面形式为“T”、“L”或“I”型。
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