本發(fā)明屬于飛機結(jié)構設計技術領域，具體涉及復合材料加筋壁板長桁參數(shù)工程確定方法。
背景技術：
隨著工程優(yōu)化設計方法的不斷完善，復合材料結(jié)構優(yōu)化設計已經(jīng)從簡單的層壓板設計拓展到加筋壁板設計。怎樣減輕飛機結(jié)構重量，是飛機設計結(jié)構工程師一直追求的目標。針對復合材料加筋壁板長桁參數(shù)的確定，目前工程設計中沒有行之有效的方法，本發(fā)明提出一種復合材料加筋壁板長桁參數(shù)工程確定方法。目前在役飛機復合材料加筋壁板結(jié)構設計主要基于工程經(jīng)驗，沒有給出相鄰長桁之間距離和參數(shù)確定方法。
技術實現(xiàn)要素：
發(fā)明目的：針對復合材料加筋壁板長桁參數(shù)的確定問題，本發(fā)明提出了復合材料加筋壁板長桁參數(shù)工程確定方法。
技術方案：復合材料加筋壁板長桁參數(shù)工程確定方法，其特征在于，首先根據(jù)有限元節(jié)點載荷確定相鄰長桁之間距離，然后根據(jù)復合材料加筋壁板局部屈曲載荷和總體屈曲載荷之間的關系，確定出長桁緣條和腹板的厚度和高度，具體包括以下步驟：
第一、確定長桁間距：
①：提取翼展1/3處有限元剖面彎矩載荷M；
②：將①步驟中，剖面彎矩載荷M代入公式(1)，求出復合材料加筋壁板軸力N；
式中：N：上/下翼面總軸力；
M：翼面切面彎矩；
Hcp：翼盒平均高度，計算按公式(2)；
式中：H1：剖面前梁翼型高度；
H2：剖面后梁翼型高度；
Hmax：剖面最大外形高度；
③：計算翼面承受總軸力所需的總面積A，按公式(3)計算；
式中：E：彈性模量，初步計算E取值55GPa；
ε：設計需用應變，初步設計時ε取值3200με；
④：確定長桁面積Ast和蒙皮面積Ask；初步計算長桁面積按Ast＝0.35A，蒙皮面積按Ask＝0.65A；
⑤：確定蒙皮厚度δsk，按公式(4)計算；
式中：B：翼面剖面前后梁之間距；
⑥：確定長桁間距b，按公式(5)計算；
式中：b：長桁間距；
Dij：復合材料加筋壁板蒙皮彎曲剛度系數(shù)；初步計算時，0°取值40％，90°取值10％，±45°取值50％；
α：翼肋間距；
m：沿長桁方向屈曲半波數(shù)；
Nx：按公式(6)計算；
Nx＝E×ε×δsk (6)
第二、確定長桁參數(shù)：長桁參數(shù)主要有長桁緣條寬度bf、長桁腹板高度hw、長桁緣條厚度tf和長桁腹板厚度tw：
①長桁緣條厚度tf一般為蒙皮厚度的0.5～0.8δsk，初步計算tf＝0.8δsk；
②長桁腹板厚度tw取值為2倍的長桁緣條厚度tf，tw＝2tf；
③確定長桁緣條寬度bf，按公式(7)計算；
bf＝6D+tw+14 (7)
式中：D：修理時所需要緊固件直徑；
tw：長桁腹板厚度；
②：確定長桁腹板高度hw，按公式(8)計算；
式中：Nx：按公式(6)計算得出；
b：按公式(5)計算得出；
λ：形狀系數(shù)，初步計算λ＝1.2；
G：長桁腹板剪切模量，初步計算G取值15～20；
tw：長桁腹板厚度；
Pe：復合材料加筋壁板歐拉屈曲載荷。初步計算按公式(9)計算；
式中：c：復合材料加筋壁板端部支持系數(shù)，初步計算c＝1；
EI：復合材料加筋壁板剖面彎曲剛度；
α：翼肋之間距離。
有益效果
本發(fā)明對復合材料加筋壁板長桁間距的確定給出了工程計算方法，此種方法對長桁布置具有指導意義。本發(fā)明對復合材料加筋壁板長桁參數(shù)的確定給出了工程計算方法，此種方法對于長桁的參數(shù)設計有指導意義。此種方法確定出基本參數(shù)，代入有限元模型進行尺寸優(yōu)化，可以提高計算效率，降低運算成本。
具體實施方式
下面對本發(fā)明做進一步詳細說明。
相鄰長桁之間間距布置主要遵守以下原則：
1)：長桁強，蒙皮弱，長桁間距比較大；反之，長桁間距較小。
2)：受壓壁板的長桁間距較小，受拉壁板的長桁間距較大。
3)：初設計時，可參照現(xiàn)有飛機的統(tǒng)計數(shù)據(jù)確定。
最終布置原則主要參考統(tǒng)計數(shù)據(jù)，小型飛機長桁間距為100mm左右；中型飛機為150mm左右；大型飛機為200mm左右。
針對長桁參數(shù)確定，主要長桁面積確定，確定原則如下：
1)：在蒙皮和長桁壓縮屈曲應力相等的情況下，長桁截面積與蒙皮截面積的最佳比例為1:4。
2)：對于整體壁板的最佳設計，垂直凸緣的截面積與蒙皮截面積之比為1:7。
3)：在組合組件的歐拉柱應力等于蒙皮的初始屈曲應力的情況下，其長桁截面積與蒙皮截面積的最佳比例為1:5。
4)：對于最小重量設計，與蒙皮相連的長桁厚度與蒙皮厚度之比為1:0.5。
上述長桁參數(shù)確定方法主要適用于金屬結(jié)構，針對復合材料加筋壁板設計適用性不強。
本發(fā)明方法的實現(xiàn)具體包括以下步驟：
第一、確定長桁間距：
⑦：提取翼展1/3處有限元剖面彎矩載荷M；
⑧：將①步驟中，剖面彎矩載荷M代入公式(1)，求出復合材料加筋壁板軸力N；
式中：N：上/下翼面總軸力；
M：翼面切面彎矩；
Hcp：翼盒平均高度，計算按公式(2)；
式中：H1：剖面前梁翼型高度；
H2：剖面后梁翼型高度；
Hmax：剖面最大外形高度；
⑨：計算翼面承受總軸力所需的總面積A，按公式(3)計算；
式中：E：彈性模量，初步計算E取值55GPa；
ε：設計需用應變，初步設計時ε取值3200με；
⑩：確定長桁面積Ast和蒙皮面積Ask；初步計算長桁面積按Ast＝0.35A，蒙皮面積按Ask＝0.65A；
確定蒙皮厚度δsk，按公式(4)計算；
式中：B：翼面剖面前后梁之間距；
確定長桁間距b，按公式(5)計算；
式中：b：長桁間距；
Dij：復合材料加筋壁板蒙皮彎曲剛度系數(shù)；初步計算時，0°取值40％，90°取值10％，±45°取值50％；
α：翼肋間距；
m：沿長桁方向屈曲半波數(shù)；
Nx：按公式(6)計算；
Nx＝E×ε×δsk (6)
第二、確定長桁參數(shù)：長桁參數(shù)主要有長桁緣條寬度bf、長桁腹板高度hw、長桁緣條厚度tf和長桁腹板厚度tw：
④長桁緣條厚度tf一般為蒙皮厚度的0.5～0.8δsk，初步計算tf＝0.8δsk；
⑤長桁腹板厚度tw取值為2倍的長桁緣條厚度tf，tw＝2tf；
⑥確定長桁緣條寬度bf，按公式(7)計算；
bf＝6D+tw+14 (7)
式中：D：修理時所需要緊固件直徑；
tw：長桁腹板厚度；
②：確定長桁腹板高度hw，按公式(8)計算；
式中：Nx：按公式(6)計算得出；
b：按公式(5)計算得出；
λ：形狀系數(shù)，初步計算λ＝1.2；
G：長桁腹板剪切模量，初步計算G取值15～20；
tw：長桁腹板厚度；
Pe：復合材料加筋壁板歐拉屈曲載荷。初步計算按公式(9)計算；
式中：c：復合材料加筋壁板端部支持系數(shù)，初步計算c＝1；
EI：復合材料加筋壁板剖面彎曲剛度；
α：翼肋之間距離。