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技术

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)

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。

技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的问题，本专利技术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。
[0007]本专利技术采用的技术方案如下：
[0008]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：
[0009](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。
[0010](2)球面框拱高分析，确定拱高取值范围。
[0011]以总体外形设计为输入，在固定的机身半径R
fus
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：
[0012][0013]其中，h为球皮拱高，R
fus
为机身半径，为后压力框与机身角度。
[0014](3)计算球皮最小厚度要求。
[0015]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：
[0016][0017]其中，t
min
为膜应力控制下的球皮最小厚度，ΔP
RVS
为2倍增压载荷，R为球皮半径，[σ]为材料拉伸许用应力。
[0018](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。
[0019](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。
[0020]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：
[0021][0022]其中，P
cr
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。
[0023]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。
[0024]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。
[0025](6)铺层优化分析，确定铺层角度差和铺层顺序。
[0026]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。
[0027](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。
[0028](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。
[0029](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：
[0030][0031]其中，为含裂纹的无限宽板剩余强度；H
c
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；
[0032](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。
[0033]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。
[0034]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：
[0035]1)球皮应满足膜应力要求；
[0036]2)球皮应满足AC20
‑
107B关于疲劳及损伤容限的要求；
[0037]3)球皮应满足冲击条件下的气密要求。
[0038]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。
[0039]进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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R
fus
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，R
fus
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，t
min
为膜应力控制下的球皮最小厚度，ΔP
RVS
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：毛磊凯，魏士礼，陶金库，朱照泽，徐丹，葛春生，柴宝，
申请(专利权)人：中航沈飞民用飞机有限责任公司，
类型：发明
国别省市：