一种单长桁短板承载能力计算方法技术

本发明专利技术公开了一种单长桁短板承载能力计算方法，包括：获取待计算的单长桁短板的蒙皮厚度以及剖面面积，计算单长桁短板的压损强度；基于单长桁短板的长度、剖面的惯性矩和面积，以及所述压损强度，计算单长桁短板的压缩应力；在单长桁短板承受均匀轴向压缩载荷的情况下，计算单长桁短板蒙皮的局部屈曲应力；在单长桁短板的一边处于自由状态下，利用所述压损强度计算单长桁短板蒙皮的有效宽度，并基于此计算单长桁短板蒙皮的有效面积；在充分分析加筋短板失效模式和失效机理基础上，计算单长桁短板的失效载荷。本方法能准确计算出单长桁短板的真实承载能力，有效克服现有方法计算过程复杂、计算误差大的问题。计算误差大的问题。计算误差大的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种单长桁短板承载能力计算方法


[0001]本专利技术属于航空设计
，具体涉及一种单长桁短板承载能力计算方法，为飞机机翼加筋壁板设计提供数据基础。

技术介绍

[0002]加筋短板以其高比强度和高结构效率成为飞机结构的基本元素，被应用于机翼盒段、机身和尾翼盒段等主承力结构。在飞机服役过程中，加筋短板经常受到轴向压缩载荷，屈曲后的极限承载能力是飞机设计所关注的重点。为充分发挥结构的承载能力，加筋短板允许按后屈曲进行设计。对于飞机结构强度设计人员而言，如何准确预测加筋短板在压缩载荷条件下的后屈曲响应及失效模式，是值得深入探究的问题。
[0003]受压加筋平板的柱曲线依据其长细比不同分为以加筋短板局部失稳而破坏的短柱、以加筋板局部失稳和弯曲失稳混合形式破坏的中长柱、以弹性弯曲失稳破坏的长柱。国内学者对型材/单长桁压损应力的进行了数值模拟、工程方法计算以及试验研究，给出了相关对比结果和结论。而设计加筋壁板所使用的压损载荷/应力的计算需要满足以下前提：其一是筋条和蒙皮自由边是稳定的，即各元素均有较小的长细比。其二是稳定剖面不易发生局部屈曲且整个剖面能达到塑性屈服。未重视以上前提条件易造成蒙皮自由边过早失稳，得到的压损载荷非真实的压损载荷。而加筋短板在均匀压缩载荷作用下，蒙皮达到屈曲强度之前，蒙皮和筋条应力分配是均匀，随着载荷增加，处在筋条两侧的蒙皮发生屈曲，蒙皮不能承受比屈曲应力更大的应力，此蒙皮一边受筋条弹性支持，一边自由。蒙皮虽已失稳，但是筋条能承受更高的应力，直至破坏。国外学者对单长桁压缩进行了深入研究。Chiara Bisagni使用代表多长桁壁板结构的单长桁压缩试验件，进行了有无分层的试验，用基于壳单元包含层间损伤的有限元模型预测后屈曲响应以及从起始到坍塌的损伤演化过程。Lynch对压缩载荷下单长桁铆接加筋短板的后屈曲行为进行有限元模拟，并与试验和理论数据进行了比较，屈曲和破坏载荷与试验值误差在2.5％以内。AK.Patnailk通过对铝合金7075
‑
T6加筋板单长桁FSW板与传统铆接板的对比压缩试验，得到了FSW板的初始屈曲载荷和破坏载荷均高于传统铆接板的结论。Bisagni C采用帽型单长桁来研究加筋板数值模拟后屈曲响应，分析结果与试验吻合良好，且破坏模式一致。Vescovini建立了快速参数化有限元模型来预测单长桁加筋板的后屈曲响应、失效模式以及损伤容限，并通过Global/local方法，用详细的局部模型扫描全局模型，以确定最关键位置的损伤容限。上述研究多使用ABQUS进行了数值模拟，得到载荷—位移曲线，均未求解其后屈曲平衡路径；另外，这些方法均为基于有限元软件仿真得到的结果，但有限元方法无论是建模、设计求解策略等，难度较大，且过程复杂；有限元方法失去了试验结果或工程计算方法的基准，难以对有限元结果进行评价；而现有的工程计算方法：例如板元法等，该方法计算造成单长桁短板蒙皮自由边过早失稳，得到的压损应力非真实的压损应力，得到的极限承载能力非真实的承载能力，因此计算结果与实际情况的误差较大。
[0004]基于上述原因，使得有限元计算方法不能很好地满足工程应用的需求。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种单长桁短板承载能力计算方法，该方法考虑加筋短板失效机理，能准确计算出单长桁短板的真实承载能力，有效克服现有方法计算过程复杂、计算误差大的问题。
[0006]为了实现上述任务，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种单长桁短板承载能力计算方法，包括以下步骤：
[0008]获取待计算的单长桁短板的蒙皮厚度以及剖面面积，计算单长桁短板的压损强度；
[0009]基于单长桁短板的长度、剖面的惯性矩和面积，以及所述压损强度，计算单长桁短板的压缩应力；
[0010]在单长桁短板承受均匀轴向压缩载荷的情况下，计算单长桁短板蒙皮的局部屈曲应力；
[0011]在单长桁短板的一边处于自由状态下，利用所述压损强度计算单长桁短板蒙皮的有效宽度，并基于此计算单长桁短板蒙皮的有效面积；
[0012]在充分分析加筋短板失效模式和失效机理基础上，基于所述压损强度、压缩应力、蒙皮的局部屈曲应力、蒙皮的有效面积，计算单长桁短板的失效载荷。
[0013]进一步地，所述压损强度的计算公式如下：
[0014][0015]上式中，σ
0.2
为屈服极限；A为单长桁短板的剖面面积；δ为蒙皮厚度；E为弹性模量，g为切割数加凸缘数。
[0016]进一步地，所述计算单长桁短板的压缩应力，公式如下：
[0017][0018]上式中，L为单长桁短板的长度，C为端部支持系数，I和A分别为加筋短板剖面的惯性矩和面积。
[0019]进一步地，所述计算单长桁短板蒙皮的局部屈曲应力，公式为：
[0020][0021]式中：b为加载时加载边的宽度；k
c
为压缩临界应力系数，μ
e
为材料的弹性泊松比。
[0022]进一步地，所述有效宽度计算公式为：
[0023][0024]进一步地，所述蒙皮有效面积为A
(eff)
＝δ
×
W1，其中δ为蒙皮厚度。
[0025]进一步地，所述计算单长桁短板的失效载荷所采用的公式为：
[0026]P
ult
＝A
(str)
σ
ult(str)
+A
(eff)
σ
ult(sk)
+(A
(sk)
‑
A
(eff)
)σ
b(sk)
[0027]其中，P
ult
为失效载荷；A
(str)
为单长桁短板的剖面面积；σ
ult(str)
为压损强度；A
(eff)
为蒙皮有效面积；σ
b(sk)
为蒙皮的局部屈曲应力；A
(sk)
为蒙皮剖面面积；σ
ult(sk)
为蒙皮压缩应力。
[0028]进一步地，切割数加凸缘数g的取值为12.75，端部支持系数C的取值为1.0，压缩临界应力系数k
c
的取值为3.65。
[0029]与现有技术相比，本专利技术具有以下技术特点：
[0030]1.本专利技术在充分分析加筋短板失效模式和失效机理基础上，提出了相对复杂的单长桁短板承载能力计算公式；采用蒙皮一边受筋条弹性支持，一边自由状态下有效宽度的计算公式用于计算单长桁短板承载能力，引进了有效宽度，使得承载能力的计算更准确；采用考虑加筋短板失效机理的工程计算方法，与试验的相对误差小于5％，基本满足工程设计要求。
[0031]2.利用本专利技术方法计算出的单长桁短板承载能力计算精度的提高，对充分发挥结构的承载能力，允许单长桁短板按后屈曲进行设计，进而减轻结构重量，对工程设计具有重要的意义。
附图说明
[0032]图1为实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单长桁短板承载能力计算方法，其特征在于，包括以下步骤：获取待计算的单长桁短板的蒙皮厚度以及剖面面积，计算单长桁短板的压损强度；基于单长桁短板的长度、剖面的惯性矩和面积，以及所述压损强度，计算单长桁短板的压缩应力；在单长桁短板承受均匀轴向压缩载荷的情况下，计算单长桁短板蒙皮的局部屈曲应力；在单长桁短板的一边处于自由状态下，利用所述压损强度计算单长桁短板蒙皮的有效宽度，并基于此计算单长桁短板蒙皮的有效面积；在充分分析加筋短板失效模式和失效机理基础上，基于所述压损强度、压缩应力、蒙皮的局部屈曲应力、蒙皮的有效面积，计算单长桁短板的失效载荷。2.根据权利要求1所述的单长桁短板承载能力计算方法，其特征在于，所述压损强度的计算公式如下：上式中，σ
0.2
为屈服极限；A为单长桁短板的剖面面积；δ为蒙皮厚度；E为弹性模量，g为切割数加凸缘数。3.根据权利要求1所述的单长桁短板承载能力计算方法，其特征在于，所述计算单长桁短板的压缩应力，公式如下：上式中，L为单长桁短板的长度，C为端部支持系数，I和A分别为加筋短板剖面的惯性矩和面积。4.根据权利要求1所述的单长桁短板承载能力计算方法，其特征在于，所述计算单长桁短板蒙皮的局部屈曲应力，公式为：式中：b为加载时加载边的宽度；k
c
为压缩临界应力系数，μ
e
为材料的弹性泊松比。5.根据权利要求1所述的单长桁短板承载能力计算方法，其特征在于，所述有效宽度...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘存，
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：