一种金属球面框及其设计方法与流程

本发明属于飞机气密框结构设计技术领域，具体涉及一种金属球面框及其设计方法。

背景技术：

飞机上的气密框，分别位于机头的和后机身，是飞机气密区与非气密区的分界面。气密框承受机舱内部的气压载荷，为乘客提供一个安全舒适的气压环境。机头的气密框还能为雷达提供安装位置，尾部的气密框可能为系统管路和导线提供通道和固定点。

位于后机身的气密框一般分为平板框，球面框和组合型气密框。球面框被认为是飞机最主要的结构部件之一。平板框承受气密载荷的形式与球面框不同，导致重量远远大于球面框。大型民用飞机上，一般采用球面框，这样可以提高结构的使用效率，在满足结构强度和刚度要求的前提下，降低飞机结构重量，制造工艺成熟，成本低。

从受力特性看，球面框最好做成半球，即球面半径与机身半径一致。此时框板上的均匀拉应力正好全部、直接地传给机身壳体蒙皮。但半球形状使机身容积利用率低，球面前、后都较难安放有效载重，更难以装满，且工艺上制作也较复杂。因此实际上在大飞机上一般也常采用球面的一部分作为球面框的外形。

球面框在客舱压力作用下，球皮上处处为张应力。与传统的平板气密框相比，重量更轻，受力更加合理。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是提供一种飞机金属球面框结构的设计方法。

技术方案：一种金属球面框结构，包括球皮(1)、环向止裂带(2)、径向止裂带(4)及对接件(5)组成，各结均采用金属材料，其中，球皮(1)为球冠外形的壳体结构，在球皮(1)上布置若干环向止裂带(2)、径向止裂带(4)，对接件(5)为环框结构，球皮(1)与机身壁板通过对接件(5)对接。

涉及方法具体如下：

1)球面框气密载荷由以下公式确定：

p＝101325(1-2.2558×10^-5×hp)^5.2559

δp＝pcabin-pceiling

p’＝2δp

此处，p为压强，hp为飞行高度，δp为客舱压力差，pcabin为机身内部压强，pceiling为飞行过程中机身外部压强，p’为设计时使用的气密载荷；

2)作用在环框对接件(5)上的挤压载荷由以下公式确定：

此处，为球面框球皮的子午圈角，子午圈角的定义为球皮与球面框框平面的夹角，r为球面框球皮的半径，rc为飞机机身的半径；

3)作用在环框对接件(5)上的径向载荷由以下公式确定：

4)作用在环框对接件(5)上的轴向载荷由以下公式确定：

5)球面框球皮半径由以下公式确定：

6)球面框球皮高度由以下公式确定：

7)球面框球皮厚度由以下公式确定：

此处ft是球皮的切向应力；是球皮的环向应力；作为金属球面框，在结构初步设计时取t是球面框球皮的厚度；

8)球面框球皮的面积由以下公式确定：

s＝2πrh

9)球面框球皮重量由以下公式确定：

10)球面框球皮子午圈角由以下公式确定：

此处，ρ为材料密度，球皮的子午圈角最佳角度为60°，子午圈角实际大小可以根据实际需求进行调整；

11)球面框球皮的极限裂纹长度由以下公式确定：

此处，ac为金属球皮的极限裂纹长度，σ为球皮的应力，kic为球皮材料的残余刚度，这个值可以在材料手册mmpds中查到；

12)球面框止裂带以及球皮分块位置由以下公式确定：

l≤2ac

此处，l为球皮上止裂带与球皮分块处之间，球皮止裂带之间的最大距离；

13)球面框止裂带宽度以及球皮分块处搭接区域宽度由以下公式确定：

w≥(2d+1)+(2d+1)+4d＝8d+2

此处，d为止裂带以及球皮分块处搭接区域所选取的连接件直径；

14)球面框与机身对接环框对接件(5)腹板厚度由以下公式确定：

此处，tp为环框对接件(5)腹板厚度，a为简化固支板的长度，b为简化固支板的宽度，n为长度与宽度的比值，e为材料弹性模量，σα为材料许用应力；

15)建立有限元模型，对环框对接件(5)进行结构优化，调整环框对接件(5)

腹板厚度和立筋的位置，保证球面框球皮应力处处相同；

根据球皮上开孔的位置和数量，决定是否在球皮上增加加强筋，以及加强筋的数量和位置。

有益效果

球面框的使用可以有效提高结构的使用效率，降低飞机结构重量，制造工艺成熟，成本低。

附图说明

图1为机身半径、球皮半径与子午圈角的定义示意图；

图2为环框受力分析示意图；

图3为球皮子午圈角与球皮重量的关系；

图4为本发明结构示意图。

其中，球皮(1)、环向止裂带(2)、径向止裂带(4)及对接件(5)。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。

本发明金属球面框采用规则球冠球皮+环框的方案。机身的功能是为装载乘客和货物提供空间。飞机的机身截面一般都是复杂的双泡形截面。球面框主要承受机身的气密载荷，规则球冠外形的球面框在气密载荷下应力和位移处处相等，这是最为理想的球面框外形。规则球冠外形的球面框也使球皮易于制造。球皮和机身蒙皮之间通过一个环框连接。具体涉及步骤如下：

1)球面框气密载荷由以下公式确定：

p＝101325(1-2.2558×10^-5×hp)^5.2559

δp＝pcabin-pceiling

p’＝2δp

此处，p为压强，hp为飞行高度，δp为客舱压力差，pcabin为机身内部压强，pceiling为飞行过程中机身外部压强，p’为设计时使用的气密载荷；

2)作用在环框对接件(5)上的挤压载荷由以下公式确定：

此处，为球面框球皮的子午圈角，子午圈角的定义为球皮与球面框框平面的夹角，r为球面框球皮的半径，rc为飞机机身的半径，具体见图1；

3)作用在环框对接件(5)上的径向载荷由以下公式确定，如图2所示：

4)作用在环框对接件(5)上的轴向载荷由以下公式确定：

5)球面框球皮半径由以下公式确定：

6)球面框球皮高度由以下公式确定：

7)球面框球皮厚度由以下公式确定：

此处ft是球皮的切向应力；是球皮的环向应力；作为金属球面框，在结构初步设计时取t是球面框球皮的厚度；

8)球面框球皮的面积由以下公式确定：

s＝2πrh

9)球面框球皮重量由以下公式确定：

10)球面框球皮子午圈角由以下公式确定：

此处，ρ为材料密度，图3所示为球面框球皮子午圈角和球皮重量的关系，可以得到子午圈角的时候，球皮重量最小。球皮的子午圈角最佳角度为60°，子午圈角实际大小可以根据实际需求进行调整；

11)球面框球皮的极限裂纹长度由以下公式确定：

此处，ac为金属球皮的极限裂纹长度，σ为球皮的应力，kic为球皮材料的残余刚度，这个值可以在材料手册mmpds中查到；

12)球面框止裂带以及球皮分块位置由以下公式确定：

l≤2ac

此处，l为球皮上止裂带与球皮分块处之间，球皮止裂带之间的最大距离；

13)球面框止裂带宽度以及球皮分块处搭接区域宽度由以下公式确定：

w≥(2d+1)+(2d+1)+4d＝8d+2

此处，d为止裂带以及球皮分块处搭接区域所选取的连接件直径；

14)球面框与机身对接环框对接件(5)腹板厚度由以下公式确定：

此处，tp为环框对接件(5)腹板厚度，a为简化固支板的长度，b为简化固支板的宽度，n为长度与宽度的比值，e为材料弹性模量，σα为材料许用应力；

15)建立有限元模型，对环框对接件(5)进行结构优化，调整环框对接件(5)

腹板厚度和立筋的位置，保证球面框球皮应力处处相同；

根据球皮上开孔的位置和数量，决定是否在球皮上增加加强筋，以及加强筋的数量和位置。