一种变梯度复合材料壁板强度分析方法技术

本申请属于结构强度分析技术领域，特别涉及一种变梯度复合材料壁板强度分析方法，所述强度分析方法包括：基于变梯度复合材料壁板的外载荷以及结构参数，对变梯度复合材料壁板的剪应力、压缩应力求解；基于结构参数计算许用剪应力，许用轴压应力，许用弯曲应力；通过所述剪应力、所述压缩应力、许用剪应力，许用轴压应力以及许用弯曲应力计算安全裕度；迭代安全裕度为0；能够对舵面变梯度的梯形复合材料壁板进行稳定性强度设计，最终得到满足约束条件的最轻化壁板结构参数。最轻化壁板结构参数。最轻化壁板结构参数。

【技术实现步骤摘要】
一种变梯度复合材料壁板强度分析方法


[0001]本申请属于结构强度分析
，特别涉及一种变梯度复合材料壁板强度分析方法。

技术介绍

[0002]大型飞机机翼操纵面为典型的变梯度梯形剖面结构形式，梯形结构导致复合材料壁板应力呈现明显的不均匀性，壁板失稳模态复杂，需要研究应力梯度变化较大的梯形结构的壁板失稳特性。

技术实现思路

[0003]为了解决上述问题，一种变梯度复合材料壁板强度分析方法，
[0004]一种变梯度复合材料壁板强度分析方法，
[0005]所述变梯度复合材料壁板包括：上壁板与下壁板，上壁板与下壁板前端与后端之间分别通过前梁与后梁连接，上壁板与下壁板两侧由侧肋连接；上壁板、前梁、后梁、侧肋以及下壁板形成梯形的盒体结构；所述盒体结构沿前后方向的剖面为梯形，所述强度分析方法包括：
[0006]步骤1：确定盒体结构上壁板的受力形式：确定施加在所述盒体结构上的弯曲载荷M与扭转力矩T，确定弯曲载荷M在上壁板产生的压缩正应力以及在下壁板产生的拉伸正应力，确定扭转载荷T在所述盒体结构形成的一圈剪应力；
[0007]步骤2：基于上壁板的受力形式，确定在扭转载荷T下的上壁板的剪应力τ；确定弯曲载荷M下上壁板的压缩应力σ的分布形式及其在特征点的应力大小；
[0008]步骤3：基于上壁板压缩应力σσ的分布形式及其在特征点的应力大小；，进行上壁板的轴压应力σ
C
与弯曲应力σ
b
的应力等效，确定轴压应力σ
C
与弯曲应力σ
b
的大小；
[0009]步骤4：基于变梯度梯形复合材料上壁板的尺寸参数，确定上壁板的许用剪应力[τ]、许用轴压应力[σ
C
]、许用弯曲应力[σ
b
]；
[0010]步骤5：根据剪应力τ、轴压应力σ
C
、弯曲应力σ
b
及许用剪应力[τ]、轴压应力[σ
C
]、许用弯曲应力[σ
b
]，以剪切稳定性、轴压稳定性、弯曲稳定性复合安全裕度MS为预设阀值Ra为约束条件，以壁板结构重量最轻化为目标，运用屈曲相关方程，优化迭代求解确定复合受载下上壁板轻量化结构参数。
[0011]优选的是，所述剪应力τ的计算公式为：
[0012]τ＝T/2Ωt2[0013][0014]其中，Ω为壁板、前梁、后梁、侧肋以及下壁板形成盒体结构截面中线所围面积；H为前梁的高度，h为后梁的高度；t1为前梁厚度、t2为上壁板厚度、t3为下壁板厚度，t4为后梁的厚度，L是盒体结构的弦向长度。
[0015]优选的是，将所述压缩应力等效为轴压应力与弯曲应力具体方法包括：
[0016]计算所述压缩应力；
[0017]选取上壁板位于后梁处以及上壁板位于前梁处为所述特征点；
[0018]基于所述压缩应力计算上壁板位于后梁处的压缩应力与上壁板位于前梁处压缩应力；
[0019]基于上壁板位于后梁处的压缩应力与上壁板位于前梁处压缩应力分别计算出轴压应力与弯曲应力
[0020]优选的是，弯曲载荷M下上壁板压缩应力σ为典型线性梯形分布，所述压缩应力σ计算公式为：
[0021][0022][0023][0024]其中，I为盒体结构截面中线所围梯形结构抗弯刚度，y为距离弯曲中性层距离，Y为上壁板中线的直线方程。
[0025]优选的是，轴压应力σ
C
与弯曲应力σ
b
计算公式为：
[0026]σ
C
＝(σ1+σ2)/2；
[0027]σ
b
＝(σ1‑
σ2)/2；
[0028][0029][0030]σ1为上壁板位于后梁处的压缩应力、σ2为上壁板位于前梁处压缩应力。
[0031]优选的是，基于结构参数计算许用剪应力，许用轴压应力，许用弯曲应力具体方法包括：
[0032]基于变梯度梯形复合材料上壁板的尺寸参数，确定上壁板的许用剪应力[τ]、许用轴压应力[σ
C
]、许用弯曲应力[σ
b
]；
[0033]许用扭转剪应力计算公式为：
[0034][0035]许用压缩正应力的计算公式为：
[0036][0037]许用弯曲正应力的计算公式为：
[0038][0039]其中，[τ]为上壁板许用剪应力、[σ
C
]为许用轴压应力、[σ
b
]为许用弯曲应力，D
11
、D
12
、D
22
、D
66
为舵面壁板对比复材层压板的弯曲刚度系数，t2、为上壁板厚度、L为上壁板弦向长度、B为左侧肋与右侧肋的距离；m为舵面壁板复材层压板的方向失稳半波，K
s
为剪切失稳系数。
[0040]优选的是，上壁板的剪切稳定性、轴压稳定性、弯曲稳定性复合裕度的计算公式为：
[0041][0042]R
s
＝τ/[τ]、R
c
＝σ
c
/[σ
c
]、R
b
＝σ
b
/[σ
b
]；
[0043]其中，MS为复合安全裕度、R
s
为剪切系数、R
c
为压缩系数、R
b
为弯曲系数。
[0044]优选的是，步骤5中，采用循环方法优化迭代求解确定复合受载下上壁板轻量化结构参数，当复合安全裕度MS大于预设阀值Ra，根据MS大小优化上壁板的尺寸参数，重复步骤1～步骤4，直至复合安全裕度MS等于预设阀值Ra。
[0045]优选的是，所述预设阀值Ra取值为0本申请以一定结构外形、一定设计载荷为约束，以满足飞机稳定性强度条件为前提，以壁板结构重量最小化为目标函数，形成一套压缩、剪切、弯曲复合载荷作用下复材壁板稳定性的强度分析方法。本申请能够对舵面变梯度的梯形复合材料壁板进行稳定性强度设计，最终得到满足约束条件的最轻化壁板结构参数。
[0046]本申请以一定结构外形、一定设计载荷为约束，以满足飞机稳定性强度条件为前提，以壁板结构重量最小化为目标函数，形成一套压缩、剪切、弯曲复合载荷作用下复材壁板稳定性的强度分析方法，创造性地运用结构外形约束、稳定性强度约束条件对梯形复合材料进行重量最轻化结构设计。
[0065][0066]其中，Ω为壁板1、前梁21、后梁22、侧肋3以及下壁板4形成盒体结构截面中线所围面积；如图7所示，H为前梁21的高度，h为后梁22的高度；t1前梁21厚度、t2上壁板1厚度、t3下壁板4厚度，t4为后梁22的厚度，L是盒体结构的弦向长度。
[0067]步骤S2：如图5
‑
图6所示，弯曲载荷M下：其上壁板弯曲引起的压缩应力为图5所示的典型线性梯形分布，其上壁板压缩正应力压缩应力求解，所述压缩本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种变梯度复合材料壁板强度分析方法，所述变梯度复合材料壁板包括：上壁板(1)与下壁板(4)，上壁板(1)与下壁板(4)前端与后端之间分别通过前梁(21)与后梁(22)连接，上壁板(1)与下壁板(4)两侧由侧肋(3)连接；上壁板(1)、前梁(21)、后梁(22)、侧肋(3)以及下壁板(4)形成梯形的盒体结构；所述盒体结构沿前后方向的剖面为梯形，其特征在于，所述强度分析方法包括：步骤1：确定盒体结构上壁板(1)的受力形式：确定施加在所述盒体结构上的弯曲载荷M与扭转力矩T，确定弯曲载荷M在上壁板(1)产生的压缩正应力以及在下壁板(4)产生的拉伸正应力，确定扭转载荷T在所述盒体结构形成的一圈剪应力；步骤2：基于上壁板(1)的受力形式，确定在扭转载荷T下的上壁板(1)的剪应力τ；确定弯曲载荷M下上壁板(1)的压缩应力σ的分布形式及其在特征点的应力大小；步骤3：基于上壁板(1)压缩应力σσ的分布形式及其在特征点的应力大小；，进行上壁板(1)的轴压应力σ
C
与弯曲应力σ
b
的应力等效，确定轴压应力σ
C
与弯曲应力σ
b
的大小；步骤4：基于变梯度梯形复合材料上壁板(1)的尺寸参数，确定上壁板(1)的许用剪应力[τ]、许用轴压应力[σ
C
]、许用弯曲应力[σ
b
]；步骤5：根据剪应力τ、轴压应力σ
C
、弯曲应力σ
b
及许用剪应力[τ]、轴压应力[σ
C
]、许用弯曲应力[σ
b
]，以剪切稳定性、轴压稳定性、弯曲稳定性复合安全裕度MS为预设阀值Ra为约束条件，以壁板结构重量最轻化为目标，运用屈曲相关方程，优化迭代求解确定复合受载下上壁板(1)轻量化结构参数。2.如权利要求1所述的变梯度复合材料壁板强度分析方法，其特征在于，所述剪应力τ的计算公式为：τ＝T/2Ωt2其中，Ω为壁板(1)、前梁(21)、后梁(22)、侧肋(3)以及下壁板(4)形成盒体结构截面中线所围面积；H为前梁(21)的高度，h为后梁(22)的高度；t1为前梁(21)厚度、t2为上壁板(1)厚度、t3为下壁板(4)厚度，t4为后梁(22)的厚度，L是盒体结构的弦向长度。3.如权利要求1所述的变梯度复合材料壁板强度分析方法，其特征在于，将所述压缩应力等效为轴压应力与弯曲应力具体方法包括：计算所述压缩应力；选取上壁板位于后梁处以及上壁板位于前梁处为所述特征点；基于所述压缩应力计算上壁板位于后梁处的压缩应力与上壁板位于前梁处压缩应力；基于上壁板位于后梁处的压缩应力与上壁板位于前梁处压缩应力分别计算出轴压应力与弯曲应力。4.如权利要求1所述的变梯度复合材料壁板强度分析方法，其特征在于，弯...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑茂亮，韩思聪，赵占文，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所，
类型：发明
国别省市：