一种复合材料机翼壁板优化设计方法技术

一种复合材料机翼壁板优化设计方法，步骤为(1)对机翼主结构进行有限元仿真建模；(2)对有限元机翼盒段模型施加载荷和边界条件；(3)计算整体翼盒有限元模型，提取结构内载荷；(4)设计铺层库，计算铺层库中所有铺层的层合板属性，得到刚度矩阵、等效弹性模量；(5)针对蒙皮长桁不同结构单元初始尺寸和不同失效模式计算的需求，对载荷进行二次分配计算；(6)壁板各结构失效模式设计许用值计算；(7)计算壁板结构各个BAY的安全裕度；(8)设置壁板铺层布置和相邻区域层合板丢层最大斜率比；设置长桁与蒙皮波松比差值系数、刚度比；如不满足该设计范围，则对铺层进行调整；(9)若设计不满足重量要求，需要循环进行步骤(1)‑(8)，调整铺层及尺寸，直至满足结构重量要求为止。该方法提高了复合材料整体壁板的设计和优化的工作效率，节约研发成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及民用运输机机翼T型长桁加筋壁板优化及设计方法，属于民用飞机复合材料结构设计领域。
技术介绍
近年来，随着复合材料设计能力的提高、制造工艺水平的发展以及生产成本的降低，大批民用飞机结构零部件开始使用复合材料。复合材料元件从最初只应用在客机次级结构上，到如今应用在波音B787和空客A350的机翼和机身壁板等主结构上，不仅说明复合材料大型复杂主承力结构设计、制造、检测、修理、维护等关键技术已经突破，而且标志着先进复合材料正在取代传统轻合金结构材料成为大型民用飞机机体结构的首选材料。由于飞机机翼复合材料壁板采用整体成型工艺，在满足强度和刚度要求下合理的对各区域进行铺层设计才能有效的发挥复合材料的作用，同时壁板各区域的铺层需协调布置，以实现工艺可达性。现阶段机翼壁板设计并未有效的协调二者之间的关系，造成了材料性能和飞机重量的损失，并未最大限度的发挥复合材料结构的作用。
技术实现思路
本专利技术提供一种详细规范的复合材料机翼壁板优化设计的流程和方法。本方法采用有限元软件模拟机翼结构，合理的提取、处理载荷后使用成熟的工程算法确定复合材料机翼壁板结构的初始尺寸，在机翼设计过程中通过量化的方式合理的引入工艺成型要求，对设计及分析进行多次迭代后确定机翼壁板的最优方案，不仅实现结构在重量最轻的情况下满足适航当局对结构强度和刚度要求，而且工艺成型可达性良好。本专利技术功能是通过下述技术方案实现的：一种复合材料机翼壁板优化设计方法，其步骤如下：(1)采用MSC.Patran2010软件对机翼主结构进行有限元仿真建模；(2)对步骤(1)建立的整体有限元机翼盒段模型施加载荷和边界条件；(3)采用MSC.Nastran2010软件计算整体翼盒有限元模型，根据输出的“.F06”文件提取结构内载荷；(4)根据蒙皮和长桁结构的受力特点，分别设计对应的铺层库。利用VB语言把经典层合板理论中计算公式程序化，实现对铺层库中所有铺层的层合板属性进行批处理计算，得到对应的刚度矩阵、等效弹性模量；(5)机翼壁板各BAY(肋和长桁围成的矩形区)蒙皮、长桁结构的载荷确定：依据第(3)步得到的的总体有限元计算结果数据，针对蒙皮长桁不同结构单元初始尺寸和不同失效模式计算的需求，对载荷进行二次分配计算；T型长桁截面腹板和缘条载荷按照刚度分配，用于校核腹板和缘条的局部失稳。载荷计算公式为:P＝Pstr×Ei×Ai/∑Ei×Ai其中：P——长桁腹板和缘条上分配的沿长桁轴向力；Pstr——长桁单元轴向力，步骤(3)求得；Ei——长桁各元件的等效弹性模量，通过步骤(4)计算；Ai——长桁各元件的横截面积，通过步骤(4)计算。对于壁板整体柱失稳分析，施加载荷应采用对应长桁单元的轴力和两侧蒙皮单元的部分载荷之和。载荷计算公式为：Ptotal＝Pstr+Pskin1/2+Pskin2/2其中：Ptotal——壁板载荷；Pstr——长桁单元轴向力，步骤(3)求得；Pskin1——长桁相邻左侧蒙皮轴向载荷，步骤(3)求得；Pskin2——长桁相邻右侧蒙皮轴向载荷，步骤(3)求得。(6)壁板各结构失效模式设计许用值计算(长桁、蒙皮应变许用值通过复合材料积木式试验得到)。A.计算生成长桁局部稳定性、压损以及应变设计许用值；长桁局部稳定性设计许用值计算参考公式： N x c r 1 = 12 D 66 b 2 + π 2 D 11 a 2 ]]>其中：——长桁局部稳定性许用值；D11，D66——层合板弯曲刚度；a——层合板长度；b——层合板宽度。长桁压损许用值计算公式参考： N x c r 2 = 0.38 × N x c r _ c o m p r e s s i o n × E x b E x [ b w t w × E x b E x × ( A B S ( N x c r _ c o m p r e s s i o 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合材料机翼壁板优化设计方法，其特征在于，步骤如下：(1)采用MSC.Patran2010软件对机翼主结构进行有限元仿真建模；(2)对步骤(1)建立的整体有限元机翼盒段模型施加载荷和边界条件；(3)采用MSC.Nastran2010软件计算整体翼盒有限元模型，根据输出的“.F06”文件提取结构内载荷；(4)根据蒙皮和长桁结构的受力特点，分别设计对应的铺层库；利用VB语言把经典层合板理论中计算公式程序化，实现对铺层库中所有铺层的层合板属性进行批处理计算，得到对应的刚度矩阵、等效弹性模量；(5)机翼壁板各BAY(肋和长桁围成的矩形区)蒙皮、长桁结构的载荷确定：依据第(3)步得到的的总体有限元计算结果数据，针对蒙皮长桁不同结构单元初始尺寸和不同失效模式计算的需求，对载荷进行二次分配计算；T型长桁截面腹板和缘条载荷按照刚度分配，用于校核腹板和缘条的局部失稳；载荷计算公式为:P＝Pstr×Ei×Ai/∑Ei×Ai其中：P——长桁腹板和缘条上分配的沿长桁轴向力；Pstr——长桁单元轴向力；Ei——长桁各元件的等效弹性模量；Ai——长桁各元件的横截面积；对于壁板整体柱失稳分析，施加载荷应采用对应长桁单元的轴力和两侧蒙皮单元的部分载荷之和；载荷计算公式为：Ptotal＝Pstr+Pskin1/2+Pskin2/2其中：Ptotal——壁板载荷；Pstr——长桁单元轴向力；Pskin1——长桁相邻左侧蒙皮轴向载荷；Pskin2——长桁相邻右侧蒙皮轴向载荷；(6)壁板各结构失效模式设计许用值计算(长桁、蒙皮应变许用值通过复合材料积木式试验得到)；A.计算生成长桁局部稳定性、压损以及应变设计许用值；长桁局部稳定性设计许用值计算参考公式：Nxcr1=12D66b2+π2D11a2]]>其中：——长桁局部稳定性许用值；D11，D66——层合板弯曲刚度；a——层合板长度；b——层合板宽度；长桁压损许用值计算公式参考：Nxcr2=0.38×Nxcr_compression×ExbEx[bxtw×ExbEx×(ABS(Nxcr_compression)tw)ExEy]-0.797]]>其中：Exb=12D11D22-D122t3D22;]]>D11，D22，D12——层合板弯曲刚度；——层合板压损许用值；Nxcr_compression——层合板压缩强度；Ex，Ey——层合板等效弹性模量；bw——层合板宽度；tw——层合板厚度；B.计算生成蒙皮局部稳定性和应变设计许用值；四边简支蒙皮在单位长度双向压缩载荷作用下的屈曲设计许用值计算公式参考：Nxcr3=π2D22b2[(D11/D22)(b/a)2m2+2n2(D12+2D66)/D22+(a/b)2n4/m21+(Ny+Nx)(a/b)2(n/m)2],min]]>其中：——层合板双向压缩载荷作用下屈曲许用值；D11，D22，D12，D66——层合板弯曲刚度；a——层合板长度；b——层合板宽度；m——层合板屈曲时沿长度方向，x方向，半波数；n——层合板屈曲时沿宽度方向，y方向，半波数；Ny——层合板y方向压缩载荷；Nx——层合板x方向压缩载荷；四边简支矩形层合板在剪切载荷作用下的屈曲设计许用值计算公式参考：Nxycr=4Ks(D11D223)1/4b2]]>Nxycr——层合板在剪切载荷作用下屈曲许用值；Ks——剪切屈曲系数；D11，D22——层合板弯曲刚度；b——层合板宽度；(7)计算壁板结构各个BAY的安全裕度，当各个结构失效模式安全裕度都大于0时，说明结构满足强度和刚度要求；当安全裕度小于0时，通过调整长桁腹板和缘条尺寸，以及蒙皮与长桁铺层，保证所有结构单元安全裕度大于0；(8)对于整体成型的壁板结构，壁板铺层布置和相邻区域层合板丢层最大斜率比为：主承力方向1：20，其他任何方向1：10；在第(7)步计算得到满足强度和刚度要求的初始尺寸之后，通过对长桁与蒙皮波松比差值系数、以及长桁和蒙皮的刚度比的设置合理设计范围，波松比差值系数取0.1‑0.15，长桁与蒙皮刚度比取0.4‑0.6；如不满足该设计范围，则对铺层进行调整；(9)机翼结构设计需要满足重量要求；若设计得到的初始尺寸不满足重量要求，需要循环进行步骤(1)‑(8)，调整铺层及尺寸，直至满足结构重量要求为止。...

【技术特征摘要】
1.一种复合材料机翼壁板优化设计方法，其特征在于，步骤如下：(1)采用MSC.Patran2010软件对机翼主结构进行有限元仿真建模；(2)对步骤(1)建立的整体有限元机翼盒段模型施加载荷和边界条件；(3)采用MSC.Nastran2010软件计算整体翼盒有限元模型，根据输出的“.F06”文件提取结构内载荷；(4)根据蒙皮和长桁结构的受力特点，分别设计对应的铺层库；利用VB语言把经典层合板理论中计算公式程序化，实现对铺层库中所有铺层的层合板属性进行批处理计算，得到对应的刚度矩阵、等效弹性模量；(5)机翼壁板各BAY(肋和长桁围成的矩形区)蒙皮、长桁结构的载荷确定：依据第(3)步得到的的总体有限元计算结果数据，针对蒙皮长桁不同结构单元初始尺寸和不同失效模式计算的需求，对载荷进行二次分配计算；T型长桁截面腹板和缘条载荷按照刚度分配，用于校核腹板和缘条的局部失稳；载荷计算公式为:P＝Pstr×Ei×Ai/∑Ei×Ai其中：P——长桁腹板和缘条上分配的沿长桁轴向力；Pstr——长桁单元轴向力；Ei——长桁各元件的等效弹性模量；Ai——长桁各元件的横截面积；对于壁板整体柱失稳分析，施加载荷应采用对应长桁单元的轴力和两侧蒙皮单元的部分载荷之和；载荷计算公式为：Ptotal＝Pstr+Pskin1/2+Pskin2/2其中：Ptotal——壁板载荷；Pstr——长桁单元轴向力；Pskin1——长桁相邻左侧蒙皮轴向载荷；Pskin2——长桁相邻右侧蒙皮轴向载荷；(6)壁板各结构失效模式设计许用值计算(长桁、蒙皮应变许用值通过复合材料积木式试验得到)；A.计算生成长桁局部稳定性、压损以及应变设计许用值；长桁局部稳定性设计许用值计算参考公式： N x c r 1 = 12 D 66 b 2 + π 2 D 11 a 2 ]]>其中：——长桁局部稳定性许用值；D11，D66——层合板弯曲刚度；a——层合板长度；b——层合板宽度；长桁压损许用值计算公式参考： N x c r 2 = 0.38 × N x c r _ c o m p r e s s i o n × E x b E x [ b x t w × E x b E x × ( A B S ( N x c r _ c o m p r e s s i o n ) t w ) E x E y ] - 0.797 ]]>其中： E x b = 12 D 11 D 22 - D 12 2 t 3 D 22 ; ]]>D11，D22，D12——层合板弯曲刚度；——层合板压损许用值；Nxcr_compression——层合板压缩强度；Ex，Ey——层合板等效弹性模量；bw——层合板宽度；tw——层合板厚度；B.计算生成蒙皮局部稳定性和应变设计许用值；四边简支蒙皮在单位长度双向压缩载荷作用下的屈曲设计许用值计算公式参考： N x c r 3 = π 2 D 22 b 2 [ ( D 11 / D 22 ) ( b / a ) 2 m 2 + 2 n 2 ( D 12 + 2 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：何续斌，黄文超，孟维宇，贾大炜，李爱环，郑双，王黎明，
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：辽宁;21