一种机身结构中长桁总体稳定性计算方法与流程

本发明属于飞机结构强度设计领域，尤其涉及一种机身结构中长桁总体稳定性计算方法。

背景技术：

机身结构是飞机的重要部件之一，它将机翼、尾翼、起落架等部件连成一个整体，主要作用是产生并传递各种载荷，本发明主要研究机身蒙皮主要受纯剪切时的长桁的总体稳定性计算方法。

目前强度校核中，机身长桁通常采用以下校核方法，取严重工况下长桁单元与左右蒙皮单元为研究对象，直接从总体应力分析模型中提取长桁杆单元轴向压应力，蒙皮单元最大剪切应力，通过计算蒙皮单元剪切失稳后张力场引起的长桁压应力和弯曲应力，与长桁本体压应力求和后计算机身长桁的总体稳定性，计算时未考虑长桁在弯曲时的物理几何塑性系数以及张力场引起的长桁压应力和弯曲应力对物理几何塑性系数的影响。

对机身长桁而言，直接采用总体应力分析模型的应力计算结果校核机身长桁总体稳定性，所得结果精度较低。因此需要探索一种新的计算方法，方便、快速、准确地进行机身结构长桁总体稳定性计算。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供了一种机身结构中长桁总体稳定性计算方法，基于有限元分析方法进行静强度计算，目的是为了提高蒙皮主要受纯剪切时的机身长桁的总体稳定性的计算精度。

一种机身结构中长桁总体稳定性计算方法，该机身结构包含长桁、蒙皮、机身框，已知该机身结构的设计数模和载荷工况，其特征在于包含以下步骤：1)根据机身结构的设计数模，以长桁和机身框交点为基准，建立机身结构的有限元模型，其中将蒙皮简化为板单元，将长桁简化为杆单元，将机身框简化为梁单元，在相邻梁单元之间，由杆单元和杆单元两侧的板单元组成一个计算单元，每个计算单元包含中间位置的长桁和长桁两侧的蒙皮；2)在上述有限元模型中，对靠近机头部位的机身框梁单元简支约束，作为机身结构总体应力分析模型的边界条件；3)根据边界条件和载荷工况，得到机身结构各计算单元的应力计算结果；4)根据各计算单元的应力计算结果，提取蒙皮受纯剪切的计算单元作为分析单元；5)计算出每个分析单元的长桁压应力，并将长桁压应力的计算结果进行比对分析，提取长桁的最小压应力σc；6)利用该最小压应力对应的长桁几何参数，计算出长桁临界失稳应力σcf；7)由最小压应力对应的长桁的临界失稳应力σcf和长桁最小压应力的比值σc，作为机身长桁的总体稳定性剩余强度。

在上述步骤5)中，每个分析单元的长桁压应力σc包括三部分：第一部分为机身结构总体有限元模型中计算出的长桁压应力σch；第二部分为由蒙皮剪切失稳后对角拉伸引起的长桁平均压应力σst；第三部分为长桁受到向内的弯曲载荷在两支点处的弯曲应力σm。

本技术：
的机身结构中长桁总体稳定性计算方法，根据机身结构的设计数模，建立机身结构的有限元模型，由杆单元和杆单元两侧的板单元组成计算单元，根据边界条件和载荷工况，得到机身结构各计算单元的应力计算结果，利用最大剪切应力板单元和最大压应力杆单元对应的计算单元的几何参数，根据本发明所述长桁压应力计算公式，计算出机身长桁的最小压应力，最后由最小压应力对应的长桁的总体临界失稳应力和计算最小压应力的比值，得出机身长桁的总体稳定性剩余强度，本发明能更方便、快捷、准确地计算机身长桁的总体稳定性。

本申请的有益效果在于：1)本发明利用有限元分析方法，通过对机身蒙皮、机身框及长桁的准确简化和约束，进行机身结构中长桁总体稳定性计算，并提取蒙皮受纯剪切的计算单元作为分析单元，具有算法简单，结果精确的优点；2)在计算过程中，充分考虑了分析单元中长桁在弯曲时的材料的塑性以及进入塑性后的应力重新分布情况；3)根据结构实际受载情况充分考虑了张力场引起的长桁压应力和弯曲应力对物理几何塑性系数的影响，提出了长桁在弯曲时的物理几何塑性系数的修正方法；4)提高了机身结构蒙皮主要受纯剪切时长桁的总体稳定性计算精度，能更准确地计算结构强度和进行结构的减重设计。

以下结合实施例及附图对本申请做进一步详细描述。

附图说明

图1为典型机身结构示意图；

图2为典型机身结构有限元分析模型示意图；

图3为计算单元示意图。

图中编号说明：1蒙皮，2长桁，3机身框，4计算单元。

具体实施方式

参见附图，典型机身结构含有整体蒙皮1、多个纵向的长桁2和多个横向的机身框3。对该机身结构中长桁总体稳定性计算方法，具体做法如下：

本申请基于有限元分析方法进行静强度计算，目的是为了提高蒙皮主要受纯剪切时的机身长桁总体稳定性的计算精度。

根据机身结构的设计数模，以长桁2和机身框3交点为基准，建立机身结构的有限元模型，其中将蒙皮1简化为板单元，将长桁2简化为杆单元，将机身框3简化为梁单元，由杆单元和相邻板单元组成计算单元4，每个计算单元包含中间位置的长桁2和长桁2两侧的蒙皮1，如图3。

分析时，在机身端头的机身框3简支约束，作为机身结构总体应力分析模型的边界条件。

根据边界条件和载荷工况，得到机身结构各计算单元的应力计算结果。

提取不同载荷工况下的蒙皮1主要受纯剪切的计算单元4，提取蒙皮1剪切应力和长桁2的计算应力，总体有限元模型中计算出的长桁压应力记为σch；蒙皮剪切失稳后对角拉伸引起的长桁平均压应力记为σst；第三部分为长桁受到向内的弯曲载荷在两支点处的弯曲应力记为σm，长桁的极限承载应力为σb。

根据《飞机设计手册》第9册第17章表17-22“各种剖面弯曲时的几何塑性系数”，求出工型梁在弯曲时的几何塑性系数α，根据《飞机设计手册》第9册第17章图17-19“物理几何塑性系数(kp—α曲线)”得出工型长桁在弯曲时的物理几何塑性系数kp。

考虑长桁压应力σch和对角拉伸引起的长桁平均压应力σst的影响，长桁弯曲时可承受的最大弯曲应力为：

σmax＝kpσb-σst-σch；

考虑长桁压应力σch和对角拉伸引起的长桁平均压应力σst的影响后，长桁在弯曲时的物理几何塑性修正系数为：

根据下列公式计算长桁的最小计算应力σc：

根据《飞机设计手册》第9册第21章21.4小节“型材的总体稳定性”公式，利用长桁2的几何参数，计算得出该长桁的总体临界失稳应力σcf。

最后，由最小应力对应长桁2的总体临界失稳应力σcf和最小计算应力σc的比值，得出机身长桁的总体稳定性剩余强度。

技术特征：

1.一种机身结构中长桁总体稳定性计算方法，该机身结构包含长桁、蒙皮、机身框，已知该机身结构的设计数模和载荷工况，其特征在于包含以下步骤：1)根据机身结构的设计数模，以长桁和机身框交点为基准，建立机身结构的有限元模型，其中将蒙皮简化为板单元，将长桁简化为杆单元，将机身框简化为梁单元，在相邻梁单元之间，由杆单元和杆单元两侧的板单元组成一个计算单元，每个计算单元包含中间位置的长桁和长桁两侧的蒙皮；2)在上述有限元模型中，对靠近机头部位的机身框梁单元简支约束，作为机身结构总体应力分析模型的边界条件；3)根据边界条件和载荷工况，得到机身结构各计算单元的应力计算结果；4)根据各计算单元的应力计算结果，提取蒙皮受纯剪切的计算单元作为分析单元；5)计算出每个分析单元的长桁压应力，并将长桁压应力的计算结果进行比对分析，提取长桁的最小压应力σc；6)利用该最小压应力对应的长桁几何参数，计算出长桁临界失稳应力σcf；7)由最小压应力对应的长桁的临界失稳应力σcf和长桁最小压应力σc的比值，作为机身长桁的总体稳定性剩余强度。

2.如权利要求1所述的机身结构中长桁总体稳定性计算方法，其特征在于，在步骤5)中，每个分析单元的长桁压应力σc包括三部分：第一部分为机身结构总体有限元模型中计算出的长桁压应力σch；第二部分为由蒙皮剪切失稳后对角拉伸引起的长桁平均压应力σst；第三部分为长桁受到向内的弯曲载荷在两支点处的弯曲应力σm。

3.如权利要求1或2所述的机身结构中长桁总体稳定性计算方法，其特征在于，在计算长桁压应力σc时应考虑长桁在弯曲时的物理几何塑性系数kp对弯曲应力σm的影响，以及机身结构总体有限元模型中计算出的长桁压应力σch和蒙皮剪切失稳后对角拉伸载荷引起的长桁平均压应力σst对长桁在弯曲时的物理几何塑性系数kp的影响，长桁压应力σc的具体计算方法如下：

首先考虑长桁压应力σch和对角拉伸引起的长桁平均压应力σst的影响，根据下列公式计算出长桁弯曲时可承受的最大弯曲应力σmax：

σmax＝kpσb-σst-σch；

再考虑长桁压应力σch和对角拉伸引起的长桁平均压应力σst的影响，根据下列公式计算出长桁在弯曲时的物理几何塑性修正系数kp1：

根据下列公式计算长桁的最小计算应力σc：

技术总结
一种机身结构中长桁总体稳定性计算方法，根据机身结构的设计数模，建立机身结构的有限元模型，由杆单元和杆单元两侧的板单元组成计算单元，根据边界条件和载荷工况，得到机身结构各计算单元的应力计算结果，利用最大剪切应力板单元和最大压应力杆单元对应的计算单元的几何参数，根据本发明所述长桁压应力计算公式，计算出机身长桁的最小压应力，最后由最小压应力对应的长桁的总体临界失稳应力和计算最小压应力的比值，得出机身长桁的总体稳定性剩余强度，本发明能更方便、快捷、准确地计算机身长桁的总体稳定性。

技术研发人员：白艳洁;孟新意;宋波涛;谭玉生;霍文辉
受保护的技术使用者：中航西安飞机工业集团股份有限公司
技术研发日：2021.05.19
技术公布日：2021.08.27