[發明專利]一種任意薄壁梁結構的層合化分析方法

在審

• 申請號: 202110056368.X
• 申請日: 2021-01-15
• 公開（公告）號: CN112800538A
• 公開（公告）日: 2021-05-14
• 發明（設計）人: 劉鐵讓;張田;高麗敏;劉傳軍;季少華;奚曉波
• 申請（專利權）人: 中國商用飛機有限責任公司北京民用飛機技術研究中心;中國商用飛機有限責任公司
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 皋吉甫

本發明公開了一種任意薄壁梁結構的層合化分析方法。步驟為：對待分析的薄壁梁的進行建模，并確定待分析的薄壁梁截面的彎曲主軸；在彎曲主軸方向上進行層合化處理，通過等效疊加即可得到總層合結構所對應的在第i層上的寬度；計算每個主軸方向上給定剪切載荷及彎矩時即單向彎剪模型下截面每一層上總的剪流和正應力；計算各個子結構元素在每一層上的剪流和正應力；計算剛心的位置；計算扭轉剛度及在扭矩作用下在每個子結構元素上所產生的剪流；計算在剛心處施加兩個獨立的沿主軸方向的剪切載荷時每個子結構元素上所產生的剪流。方法易于進一步改進，如在基礎層合板應用更精確的Timoshenko梁假設，就可容易進一步提高整個方法的精確度。

技術領域

本發明屬飛機機體結構設計技術領域，尤其涉及一種適用于具有任意開口的薄壁梁或具有任意多閉室的閉口薄壁梁進行結構分析的任意薄壁梁結構的層合化分析方法。

背景技術

目前，飛機的機翼，機身和尾翼(包括垂直尾翼和水平尾翼)都是各種形狀的薄壁結構，而且在飛機的初始剛度和強度的設計階段很多情況下均可簡化為梁結構。因此對于各種薄壁梁結構進行快速有效的分析計算在飛機結構的初始設計階段起著重要作用。

盡管目前各種通用的商業有限元軟件可為薄壁梁結構的分析計算提供有效的工具，但是在初始設計階段，要考慮各種各樣的可能構型并進行各種優化仍然是一個很繁雜的過程。目前參數化有限元的發展，在一定程度上可以代替人工對特定的不同幾何參數情況進行自動化分析，但由于其仍然建立在傳統有限元方法之上，對于初始的結構設計，在計算時間，結果分析與處理等方面仍然有其不足。

薄壁結構工程梁理論由于模型上的簡單長期以來一直被不同程度地廣泛應用于飛機設計諸多方面，如剛度計算，強度校核，氣動彈性分析，載荷分析等等。然而從國內外目前的文獻資料包括各種教科書來看，薄壁梁結構分析目前仍然限于經典的理論分析方法。這種方法盡管模型簡單，適合于過去的手工計算，但計算過程較為允長，不同的結構需要不同的處理方法，不太容易編制適用各種結構的統一軟件，不僅如此，經典的理論分析方法還存在一些基本缺陷。這些不足具體主要表現在以下幾個方面1)需要區分開口薄壁梁和閉口薄壁梁；2)在分析多閉室閉口薄壁梁時，需要先在每個閉室切割開口以變成開口薄壁梁；3)通過引入每個閉室的扭轉角相等的關系聯立方程，以求解未知量；4)難以對具有大開口的復雜區域進行分析，目前對這些區域的分析需要借助傳統有限元方法并伴隨復雜的數據結果處理，而且具有很多影響因素；5)目前國內外一直廣泛應用的經典的理論分析方法，對扭轉剛度的計算存在缺陷，不能反映剛心對扭轉剛度的影響。

發明內容

本發明公開了一種薄壁梁結構的優化分析方法，以解決現有技術的上述問題以及其他潛在問題中的任意問題。

為了解決上述技術問題，本發明的技術方案是：一種薄壁梁結構的優化分析方法，所述分析方法具體包括以下步驟：

S1)對待分析的薄壁梁的進行建模，并確定待分析的薄壁梁截面的彎曲主軸；

S2)對所分析的薄壁梁截面在彎曲主軸方向上進行層合化處理，通過等效疊加即可得到總層合結構所對應的在第i層上的寬度；

S3)計算所述薄壁梁截面在每個主軸方向上給定剪切載荷及彎矩時即單向彎剪模型下截面每一層上總的剪流和正應力；

S4)根據S3)得到的薄壁梁截面在單向彎剪下每一層總的剪流和正應力計算所述薄壁梁截面的各個子結構元素在每一層上的剪流和正應力；

S5)根據S4)得到的薄壁梁截面在單向彎剪下各個子結構元素在每一層上的剪流和正應力計算薄壁梁截面的剛心的位置；

S6)根據S4)及S5)計算扭轉剛度及在扭矩作用下薄壁梁截面在每個子結構元素上所產生的剪流；

S7)根據S3)、S4)及S5計算在剛心處施加兩個獨立的沿主軸方向的剪切載荷時每個子結構元素上所產生的剪流。

進一步，所述S2)的具體步驟為：