CN113987689A - 一种基于修形的复合材料格栅加筋后压力框综合优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于修形的复合材料格栅加筋后压力框综合优化设计方法，包括：1)确定球皮与机身连接方案；2)球面框拱高分析确定拱高取值范围；3)计算球皮最小厚度；4)确定曲面修形方案，对不同球面框修形方案进行曲面质量分析和力学性能评估；5)设计格栅加筋方案；6)铺层优化分析，确定铺层角度差和铺层顺序；7)引入系统开口，调整格栅加筋；8)引入冲击分层损伤，开展模拟损伤仿真分析；9)引入两跨裂纹，进行剩余强度分析；10)若方案不满足重量指标，需循环步骤1)‑9)，对方案继续优化，直到满足重量指标。本发明基于修形的球皮结构，在综合考虑多个设计要素基础上，能够得到优化的后压力框结构方案，方法简单可行。
Description
技术领域
本发明属于民用飞机复合材料压力框设计领域，具体涉及一种基于修形的复合材料格栅加筋后压力框综合优化设计方法。
背景技术
民用飞机后压力框一般位于飞机中后机身与后机身对接处，是飞机机身气密线的末端，后压力框若设计不当可能直接威胁到旅客人身安全。
目前大多数飞机后压力框球皮采用金属结构或泡沫加筋复合材料结构，金属结构不利于减重，已经逐渐被复合材料结构取代。如，A320和B737等早期民用飞机多采用金属后压力框结构，随着复合材料技术的发展，A350和B787等近些年研制的飞机普遍采用复合材料后压力框。而传统的泡沫加筋复合材料球皮只是金属结构的等代设计，且泡沫加筋存在吸湿风险，无损检测的实施困难。格栅加筋球皮结构完美解决了上述问题，并能提高结构效率，实现进一步减重。
当机身增压受正压差时，与受内压的密闭容器类似，为使后压力框上的膜应力最小，其理想的承压结构为标准的半球形。但由于标准的球形结构占用机身容积大，降低了客舱布置的有效空间，并且可能影响垂尾连接结构的检修。
综上，设计基于修形的复合材料格栅加筋后压力框是兼顾力学性能和经济性的优选方案，在现代民用飞机上具备良好的应用前景。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种详细规范的复合材料格栅加筋后压力框综合优化设计的流程和方法。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于修形的复合材料格栅加筋后压力框综合优化设计方法，包括以下步骤：
(1)球皮与机身连接方案分析，确定连接方案。在修形球皮的条件下，采用权衡分析方法对球皮与机身的连接，采用内接或外接方案进行分析，选择兼顾制造装配能力、力学性能和经济性的连接方案。
(2)球面框拱高分析，确定拱高取值范围。
以总体外形设计为输入，在固定的机身半径Rfus基础上，基于结构、强度等多方面的设计要求，确定球皮拱高h的取值范围，进而确定角度取值范围进行强度评估，分析出应力趋势，综合考虑结构布置、结构重量、制造工艺性、装配及维修维护的可达性等设计约束条件，最终确定球皮拱高h、角度
拱高h的计算公式为：
其中，h为球皮拱高，Rfus为机身半径，
为后压力框与机身角度。
(3)计算球皮最小厚度要求。
基于后压力框强度设计要求以及后压力框承载特点，球皮除要满足膜应力要求外，还需满足AC20-107B关于疲劳及损伤容限的要求及冲击条件下的气密要求，结合复合材料铺层设计原则和参考机型数据确定球皮厚度取值范围。按照应力控制要求，在极限载荷下，球皮的设计应力必须小于其材料拉伸许用应力[σ]，因此，当σ＝[σ]时，最小的球皮厚度计算公式为：
其中，tmin为膜应力控制下的球皮最小厚度，ΔPRVS为2倍增压载荷，R为球皮半径，[σ]为材料拉伸许用应力。
(4)确定曲面修形方案，对不同球面框修形方案进行曲面质量分析和力学性能评估。基于步骤(2)和步骤(3)选定的拱高和最小厚度，对不同修形方案进行曲面质量分析和正压工况下的静力分析，并对比球皮应变、连接区应变及钉载荷情况，对不同方案进行初步评估。
(5)设计格栅加筋方案，进行工艺性分析、正压载荷静力分析和负压载荷稳定性分析。基于步骤(4)选定的曲面外形，对格栅尺寸、径向和环向/正交格栅加筋方案、加筋连续/均布方案进行分析。
格栅尺寸设计，对参考机型的加筋方式和加筋尺寸进行调研分析，结合负压稳定性强度理论，采用工程算法初步给出不同球皮厚度下的加筋布局，综合考虑结构重量和稳定性变化的关系，得到既满足稳定性要求，结构重量又相对较小的格栅尺寸设计方案。格栅边长计算公式为：
其中，Pcr为负压载荷，E为材料等效弹性模量，δ为球皮厚度，R为球皮半径，K1为支持系数，a0为格栅边长。
径向和环向/正交格栅加筋对比分析，对两种方案进行工艺性分析，并基于强度有限元分析平台(如Patran&Nastran等)对径向和环向&正交格栅加筋两种方案进行静强度分析和稳定性评估，分析多个方案负压载荷下的线性和非线性稳定性，确定稳定性分析方法和优选加筋方案。
加筋连续/均布方案对比分析，对两种方案进行静强度分析和稳定性评估，确定优选加筋方案。
(6)铺层优化分析，确定铺层角度差和铺层顺序。
综合考虑结构边界外形、材料变形性能和工艺参数(最大转角、行程及速度)等因素，给出初始铺层设计方案，对不同铺层角度差的正交/径环格栅加筋结构进行2P工况下的静强度分析，对比不同铺层方案的应变分布及位移变形情况。通过负压载荷工况下的稳定性分析，初步确定铺层角度差。并对选定的角度差，评估不同铺层顺序的弯曲刚度分布。
(7)引入系统开口，调整格栅加筋。增加环控、泄压、管路开孔对格栅加筋进行设计优化。开展静力分析和稳定性评估，优化开口补强方案。
(8)引入冲击分层损伤，开展模拟损伤仿真分析。通过刚度弱化方法模拟损伤，分别布置损伤位于线性稳定性薄弱位置和非线性稳定性薄弱位置，进行稳定性评估。
(9)引入两跨裂纹，进行剩余强度分析。采用Mar-Lin模型描述剩余强度，利用双自由度参数降低敏感性并确保模型的外推应用性，Mar-Lin模型见下面公式：
其中，
为含裂纹的无限宽板剩余强度；Hc为复合材料断裂韧性；n为裂纹尖端奇异性指数；a为半裂纹长度；
(10)若方案不满足重量指标，需循环步骤(1)-(9)，对方案继续优化，直到满足重量指标。
进一步的，所述步骤(1)中内接方案为：球皮通过“Y”型材零件先与机身框结构连接，再通过支撑结构与机身蒙皮相连接；外接方案为：球皮结构通过“Y”型材零件直接与机身蒙皮相连接。
进一步的，所述步骤(3)中球皮最小厚度需要结合三方面因素综合确定：
1)球皮应满足膜应力要求；
2)球皮应满足AC20-107B关于疲劳及损伤容限的要求；
3)球皮应满足冲击条件下的气密要求。
其中，要求2)和3)是由复合材料层压板冲击特性决定的，因此需要调查和搜集后压力框在制造及使用过程中常见的冲击损伤，确定能量截止值，然后通过试验的方法确定球皮厚度是否满足上述的要求。
进一步的，所述步骤(4)中修形曲面分为球冠顶部旋转面和底部的过渡曲面，以后压力框站位面处机身理论外形的包络圆圆心为基准点，在机身对称面上通过控制与该基准点的偏移距离作球皮曲面的中心点，并通过中心点作平行于机身轴线的直线作为旋转轴线。
进一步的，所述步骤(5)中格栅边长a0为一个范围值，取决于修形曲面的球皮半径范围。
进一步的，所述步骤(6)中各层之间的角度差等于π/N，N为大于等于3的整数。N值越大，层压板越接近于各项同性。为避免制造过程中结构发生翘曲，层合板设计成关于中面对称，故按上述要求设计的层压板铺层数量为2N。
进一步的，所述步骤(9)中裂纹长度由格栅边长和加筋宽度共同决定，加筋宽度的最小值由铺贴设备的最小铺贴长度确定。
本发明的有益效果为：本发明基于修形的球皮结构，在综合考虑力学性能、结构布置、工艺性和维护性等设计要素的基础上，能够得到优化的后压力框结构方案，方法简单可行。
附图说明
图1是本发明设计方法流程图；
图2是后压力框结构参数定义图；
图3是球皮曲面修形控制参数示意图；
图4是球皮曲面修形分析示意图；
图5是格栅加筋后压力框示意图；
图6是不同4角度铺层方案各方向面外弯曲刚度分布示意图。
图7是后压力框积木式试验规划示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步地详细说明。整个优化设计方法集成于流程图，见附图1。其具体实施过程如下：
步骤一：后压力框与机身的连接方案分析。需要考虑后压力框结构与机身的连接主要有压力框外接和压力框内接两种方案。采用球皮外接连接方案航向载荷可以通过“Y”型材直接传到机身蒙皮上，载荷传递较为直接。但球皮后部结构安装空间狭小且系统开孔均需从球皮穿过。内接方案可以规避以上缺点，但传力路径较长，需结合不同型号的制造和装配工艺方案综合决定。
步骤二：球面框拱高分析，确定拱高取值范围。如附图2所示，方法如下：
以总体外形设计为输入，在固定的机身半径Rfus基础上，基于结构、强度等多方面的设计要求，确定球皮拱高h的取值范围，进而确定角度取值范围进行强度评估，分析出应力趋势，综合考虑结构布置、结构重量、制造工艺性、装配及维修维护的可达性等设计约束条件，最终确定球皮拱高h、角度
拱高h的计算公式为：
其中，h为球皮拱高，Rfus为机身半径，
为后压力框与机身角度。
角度
的确定需要重点考虑外接情况下球皮两侧紧固件的安装空间，高度h需要通过仿真验证球皮高度是否影响垂尾连接结构的可达可检性，一般以间距320mm以上为宜。
步骤三：计算球皮最小厚度。方法如下：
(1)按照应力控制要求，在极限载荷下，球皮的设计应力必须小于其材料拉伸许用应力[σ]，因此，当σ＝[σ]时，最小的球皮厚度计算公式为：
其中，tmin为膜应力控制下的球皮最小厚度，ΔPRVS为2倍增压载荷，R为球皮半径，[σ]为材料拉伸许用应力。
(2)调查和搜集后压力框在制造及使用过程中常见的冲击损伤，确定能量截止值。
(3)通过试验的方法确定球皮厚度满足AC20-107B关于疲劳及损伤容限的要求。
(4)通过试验的方法确定球皮厚度满足冲击条件下的气密要求。
步骤四：确定曲面修形方案，对不同球面框修形方案进行曲面质量分析和力学性能评估。如附图3所示，方法如下：
(1)以后压力框站位面处机身理论外形的包络圆圆心为基准点，在机身对称面上通过控制与该基准点的偏移距离作球皮曲面的中心点，并通过中心点作平行于机身轴线的直线作为旋转轴线。
(2)选取旋转轴线上的点为球心作一球面，截取球面的一部分作为球皮顶部旋转面，并使得旋转面高度满足后压力框高度。
(3)以旋转面的旋转轴线为轴心，建立数个与机身纵剖面不同角度的平面，作为球皮的剖切平面；
(4)在各剖切平面上建立引导曲线Gi，使得曲线的一端与旋转面相切，另一端限制与机身理论外形的合理角度；
(5)建立后压力框站位面与机身理论外形的交线C1；
(6)建立旋转曲面的边界线C2；
(7)以曲线C1和C2为迹线，以各剖切平面上的曲线Gi为导线，建立多截面曲面，作为底部的过渡面；
(8)连接顶部旋转面与底部的过渡曲面组成修形球皮曲面。
(9)如附图4所示，通过CATIA软件曲面模块的曲面分析功能，分析修形曲面的曲面半径变化范围。
(10)采用有限元分析方法，进行正压工况下的静力分析，并对比球皮应变、连接区应变及钉载荷情况，对不同方案进行初步评估。
步骤五：设计格栅加筋方案，进行工艺性分析、正压载荷静力分析和负压载荷稳定性分析。如附图5所示，方法如下：
(1)格栅尺寸设计，对参考机型的加筋方式和加筋尺寸进行调研分析，结合负压稳定性强度理论，采用工程算法初步给出不同球皮厚度下的加筋布局，综合考虑结构重量和稳定性变化的关系，得到既满足稳定性要求，结构重量又相对较小的格栅尺寸设计方案。格栅边长计算公式为：
其中，Pcr为负压载荷，E为材料等效弹性模量，δ为球皮厚度，R为球皮半径，K1为支持系数，a0为格栅边长。
(2)径向和环向/正交格栅加筋对比分析，对两种方案进行工艺性分析，并基于强度有限元分析平台(如Patran&Nastran等)对径向和环向&正交格栅加筋两种方案进行静强度分析和稳定性评估，分析多个方案负压载荷下的线性和非线性稳定性，确定稳定性分析方法和优选加筋方案。
(3)加筋连续/均布方案对比分析，对两种方案进行静强度分析和稳定性评估，确定优选加筋方案。
步骤六：铺层优化分析，确定铺层角度差和铺层顺序。方法如下：
综合考虑结构边界外形、材料变形性能和工艺参数(最大转角、行程及速度)等因素，给出初始铺层设计方案，对不同铺层角度差的正交/径环格栅加筋结构进行2P工况下的静强度分析，对比不同铺层方案的应变分布及位移变形情况。通过负压载荷工况下的稳定性分析，初步确定铺层角度差。并对选定的角度差，评估不同铺层顺序的弯曲刚度分布，如附图6所示。铺层设计及优化原则如下：
(1)由于单层的铺层角的变化不受限制，通过采用许多小而等差布置各层的铺层角，构成一种刚度在面内具有各向同性性能的层压板，即各层之间的角度等于π/N，N为大于等于3的整数。N值越大，层压板越接近于各项同性。
(2)为避免制造过程中结构发生翘曲，层合板设计成关于中面对称，故按上述要求设计的层压板铺层数量为2N。
(3)铺层的数量与球皮厚度及材料单层厚度有关。在限制厚度的条件下，N值越大，则材料厚度越薄，材料成本及制造成本越高。
步骤七：引入系统开口，调整格栅加筋。方法如下：
增加环控、泄压和管路等开孔，调整格栅的位置，对部分格栅进行合并。开展静力分析和稳定性评估，对于安全裕度不足的位置，通过开口补强进行优化。
步骤八：引入冲击分层损伤，开展模拟损伤仿真分析。方法如下：通过刚度弱化方法模拟损伤，分别布置损伤位于线性稳定性薄弱位置和非线性稳定性薄弱位置，进行稳定性评估。
步骤九：引入两跨裂纹，进行剩余强度分析。采用分析与试验相结合的思路。方法如下：
(1)积木式试验，包含：含裂纹结构许用值试验、含裂纹结构分析方法验证、Bulging、双向载荷、曲率、加筋影响验证和大损伤能力符合性验证
(2)分析采用Mar-Lin模型描述剩余强度，利用双自由度参数降低敏感性并确保模型的外推应用性，Mar-Lin模型见下面公式：
步骤十：以重量指标为设计目标，其它参数为设计输入。若方案不满足重量指标，需循环以上步骤，对方案继续优化，直到满足重量指标。
以上所述，仅是本发明中较佳实例，并非对本发明做出任何限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实例做出的任何简单修改、等同变化，均落在本发明保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于修形的复合材料格栅加筋后压力框综合优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)确定球皮与机身连接方案；
在修形球皮的条件下，采用权衡分析方法对球皮与机身连接采用内接或外接方案进行分析，进而确定连接方案；
(2)球面框拱高分析，确定拱高取值范围；
以总体外形设计为输入，在固定的机身半径Rfus基础上，基于结构、强度的设计要求，确定球皮拱高h的取值范围，确定角度取值范围进行强度评估，分析应力趋势，综合考虑结构布置、结构重量、制造工艺性、装配及维修维护的可达性或其他设计约束条件，最终确定球皮拱高h、角度
拱高h的计算公式为：
其中，h为球皮拱高，Rfus为机身半径，
为后压力框与机身角度；
(3)计算球皮最小厚度；
基于后压力框强度设计要求以及后压力框承载特点，球皮除要满足膜应力要求外，还需满足AC20-107B关于疲劳及损伤容限的要求及冲击条件下的气密要求，结合复合材料铺层设计原则和参考机型数据确定球皮厚度取值范围；根据应力控制要求，在极限载荷下，球皮的设计应力必须小于其材料拉伸许用应力[σ]，因此，当σ＝[σ]时，最小的球皮厚度计算公式为：
其中，tmin为膜应力控制下的球皮最小厚度，ΔPRVS为2倍增压载荷，R为球皮半径，[σ]为材料拉伸许用应力；
(4)确定曲面修形方案，对不同球面框修形方案进行曲面质量分析和力学性能评估；
基于步骤(2)和步骤(3)选定的拱高和最小厚度，对不同修形方案进行曲面质量分析和正压工况下的静力分析，并对比球皮应变、连接区应变及钉载荷情况，对不同方案进行初步评估；
(5)设计格栅加筋方案，进行工艺性分析、正压载荷静力分析和负压载荷稳定性分析；基于步骤(4)选定的曲面外形，对格栅尺寸、径向和环向/正交格栅加筋方案、加筋连续/均布方案进行分析；
格栅尺寸计算公式为：
其中，Pcr为负压载荷，E为材料等效弹性模量，δ为球皮厚度，R为球皮半径，K1为支持系数，a0为格栅边长；
径向和环向/正交格栅加筋对比分析：对两种方案进行工艺性分析，并基于强度有限元分析平台对径向和环向&正交格栅加筋两种方案进行静强度分析和稳定性评估，分析多个方案负压载荷下的线性和非线性稳定性，确定稳定性分析方法和优选加筋方案；
加筋连续方案/均布方案对比分析：对两种方案进行静强度分析和稳定性评估，确定优选加筋方案；
(6)铺层优化分析，确定铺层角度差和铺层顺序；
综合考虑结构边界外形、材料变形性能和工艺参数或其他因素，给出初始铺层设计方案，对不同铺层角度差的正交/径环格栅加筋结构进行2P工况下的静强度分析，对比不同铺层方案的应变分布及位移变形情况；通过负压载荷工况下的稳定性分析，初步确定铺层角度差；并对选定的角度差，评估不同铺层顺序的弯曲刚度分布；所述工艺参数包括最大转角、行程及速度；
(7)引入系统开口，调整格栅加筋；增加环控、泄压、管路开孔对格栅加筋进行设计优化；开展静力分析和稳定性评估，优化开口补强方案；
(8)引入冲击分层损伤，开展模拟损伤仿真分析；通过刚度弱化方法模拟损伤，分别布置损伤位于线性稳定性薄弱位置和非线性稳定性薄弱位置，进行稳定性评估；
(9)引入两跨裂纹，进行剩余强度分析；采用Mar-Lin模型描述剩余强度，利用双自由度参数降低敏感性并确保模型的外推应用性，Mar-Lin模型见下面公式：
其中，
为含裂纹的无限宽板剩余强度；Hc为复合材料断裂韧性；n为裂纹尖端奇异性指数；a为半裂纹长度；
(10)若方案不满足重量指标，需循环步骤(1)-(9)，对方案继续优化，直到满足重量指标。
2.根据权利要求1所述的一种基于修形的复合材料格栅加筋后压力框综合优化设计方法，其特征在于：所述步骤(1)中内接方案为球皮通过“Y”型材零件先与机身框结构连接，再通过支撑结构与机身蒙皮相连接；外接方案为球皮结构通过“Y”型材零件直接与机身蒙皮相连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于修形的复合材料格栅加筋后压力框综合优化设计方法，其特征在于：所述步骤(3)中球皮最小厚度需要结合三方面因素综合确定：
1)球皮应满足膜应力要求；
2)球皮应满足AC20-107B关于疲劳及损伤容限的要求；
3)球皮应满足冲击条件下的气密要求。
4.根据权利要求1所述的一种基于修形的复合材料格栅加筋后压力框综合优化设计方法，其特征在于：所述步骤(4)中修形曲面分为球冠顶部旋转面和底部的过渡曲面，以后压力框站位面处机身理论外形的包络圆圆心为基准点，在机身对称面上通过控制与该基准点的偏移距离作球皮曲面的中心点，并通过中心点作平行于机身轴线的直线作为旋转轴线。
5.根据权利要求1所述的一种基于修形的复合材料格栅加筋后压力框综合优化设计方法，其特征在于：所述步骤(5)中格栅边长a0为一个范围值，取决于修形曲面的球皮半径范围。
6.根据权利要求1所述的一种基于修形的复合材料格栅加筋后压力框综合优化设计方法，其特征在于：所述步骤(6)中各层之间的角度差等于π/N，其中N为大于等于3的整数，层压板铺层数量为2N。
7.根据权利要求1所述的一种基于修形的复合材料格栅加筋后压力框综合优化设计方法，其特征在于：所述步骤(9)中裂纹长度由格栅边长和加筋宽度共同决定，加筋宽度的最小值由铺贴设备的最小铺贴长度确定。
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