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申请/专利权人：中航沈飞民用飞机有限责任公司

摘要：本发明涉及一种复合材料中央翼盒翼梁优化设计方法，是一种民用运输机中央翼盒C型翼梁优化及设计方法，属于民用飞机复合材料结构设计领域。本发明在设计中充分考虑工艺制造指导意见，快速迭代计算，充分挖掘复合材料力学性能潜力，缩短设计周期，节约研发成本。

主权项：1.一种复合材料中央翼盒翼梁优化设计方法，其特征在于，步骤如下：步骤1、采用MSC.Nastran2010软件对中央翼盒进行有限元离散仿真建模；步骤2、对步骤1建立的中央翼盒有限元模型施加载荷和边界条件；步骤3、采用MSC.Nastran2010软件计算中央翼盒有限元模型，根据输出的“.F06”文件提取结构内载荷；步骤4、根据翼梁结构的受力特点，分别设计对应的铺层库；程序化经典层合板理论公式，得到所有铺层对应的刚度矩阵、等效弹性模量、泊松比；步骤5、中央翼翼梁各BAY梁腹板、梁缘条、加筋结构的载荷确定：依据步骤3得到的总体有限元计算结果数据，针对梁腹板、梁缘条、加筋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；步骤6、翼梁各结构失效模式设计许用值计算；步骤7、根据步骤5和步骤6的结果计算翼梁各个BAY结构的安全裕度，当各个结构失效模式安全裕度都大于0时，说明结构设计满足强度和刚度要求；当安全裕度小于0时，通过调整水平加筋、垂直加筋、梁腹板和缘条尺寸，以及各结构铺层，保证所有结构单元安全裕度大于0；步骤8、对于整体成型的翼梁结构，翼梁缘条铺层布置和相邻腹板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；在步骤7计算得到满足强度和刚度要求的初始尺寸之后，梁腹板厚度水平加筋、垂直加筋还应满足连接区厚度要求，如不满足要求，则对铺层进行调整；步骤9、中央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-步骤8，调整铺层及尺寸，直至满足结构重量要求为止；所述的步骤1中，建模准则如下：1.1考虑到实际服役中飞机中央翼前后梁、肋以及重要连接结构与上下壁板共同参与到整个中央翼结构的载荷传递，并且相互影响，所以分析用有限元模型采用中央翼整体盒段结构；1.2整体有限元建模参考坐标系需要与结构数模全机坐标系保持一致；并采用和实际产品一样的单位制；1.3为避免节点和单元重复，提取载荷方便、有限元建模时应采用具有一定规则的数字编号分配给节点和单元；1.4针对结构构型，对非承力结构进行判断并舍弃；根据结构件的承载特性，将主承力结构进行合理简化；中央翼翼梁腹板可以承受拉伸、压缩、弯曲和剪切，故简化为板壳单元CQUAD4，梁缘条和水平加筋、垂直加筋可以承受轴向拉、压、弯载荷，简化为梁单元CBAR；所述的步骤2，具体如下：将中央翼盒与外翼模型对接完毕后，在对称面上进行约束，在外翼肋站位节点上施加惯性载荷、气动载荷，保证中央翼盒承受来自外翼的弯矩、部分扭矩和部分剪力；所述的步骤3，具体如下：3.1翼梁在加筋与肋的支持下，简化为四边简支的矩形板，受到轴向拉伸或压缩载荷以及面内的弯曲和剪切载荷；强度分析所用的内载荷来自有限元模型计算单元结果文件；对于缘条、肋、水平加筋围成区域的腹板承受的压缩载荷，通过提取缘条和水平加筋单元的载荷，计算其工作应变，保守假定缘条工作应变等于腹板工作应变，推导出上下腹板的压缩载荷； 其中：εUC——BAY区上缘条工作应变；PxUC——BAY区上缘条工作载荷；AUC——BAY区上缘条面积；ExUC——BAY区上缘条弹性模量； ——BAY区梁腹板轴向载荷；tweb——BAY区梁腹板厚度；Exweb——BAY区梁腹板弹性模量；对于水平加筋与肋围成区域的腹板承受的弯曲载荷，通过取上下缘条压缩应变的最小值，根据几何位置关系，推导出上下水平加筋位置的工作应变，进而求得腹板单元的弯曲载荷，具体公式如下：Nweb_b＝εH_stiff*A11其中：Nweb_b——BAY区翼梁弯曲载荷；εH_stiff——BAY区内水平加筋工作应变；A11——BAY区翼梁的弯曲刚度；对于腹板上的剪切载荷，选取翼梁的CQUAD4单元的单元力进行分析，若一个BAY区包含n个SHELL单元，选取n个SHELL单元力的平均值分析失效模式，具体公式如下： 其中：Nxy——BAY区翼梁内载荷；Pxy——BAY区内个Shell单元内载荷；n——BAY区Shell单元总个数；3.2肋与垂直加筋之间的梁缘条在整体有限元模型中若包含n个梁单元，计算缘条稳定性失稳时取n个单元轴力的平均值，计算应变破坏时取n个单元轴力的最大值；相同BAY之间水平加筋和垂直加筋在整体有限元模型中若由n个梁单元构成，计算加筋稳定性失稳时取对应n个单元轴力的平均值，计算应变破坏时取对应n个单元轴力的最大值；所述的步骤5，具体如下：5.1对于加筋与梁腹板组成组合剖面整体柱失稳分析，施加载荷应采用对应加筋单元的轴力和两侧梁腹板单元的部分载荷之和，其工作载荷计算公式为： 其中：Pstcolumn——柱屈曲总合力；Pxst——加筋单元轴向力；步骤3求得；Pxpanel1——加筋相邻左侧梁腹板轴向载荷，步骤3求得；Pxpanel2——加筋相邻左侧梁腹板轴向载荷，步骤3求得；b1、b2——腹板宽度；5.2T型加筋截面腹板和缘条载荷按照刚度分配，用于校核加筋腹板和缘条的局部失稳，其工作载荷计算公式为： 其中：Nxa——加筋腹板的载荷；Nxb——加筋左侧缘条的载荷；Nxc——加筋右侧缘条的载荷；bw——加筋腹板的宽度；bp——加筋缘条的宽度；tstiff——加筋厚度；Ast_web——加筋腹板横截面积；Ast_flange——加筋缘条横截面积；所述的步骤6，具体如下：6.1计算生成缘条局部稳定性、压损、柱屈曲设计许用值；缘条局部稳定性设计许用值计算公式： 其中： —长桁局部稳定性许用值；D11，D66—层合板弯曲刚度；L—缘条长度；b—缘条宽度；缘条压损设计许用值：压损许用值由不同构型、不同铺层比、不同bt比的压损试验测得；缘条柱屈曲设计许用值：计算生成缘条-蒙皮组合剖面柱屈曲稳定性设计许用值计算公式：先求出蒙皮参与柱屈曲稳定性有效宽度，计算公式如下：其中：w—蒙皮有效宽度，mm；Eskin—蒙皮弹性模量，Mpa；Espar—翼梁弹性模量，Mpa；ts—蒙皮厚度，mm；Fcy—压缩许用值；加筋与梁腹板的组合剖面的柱屈曲设计许用值Fc： 其中： ρ—回转半径，mm；I—组合剖面对形心轴的惯性矩，mm^4；L′—有效的柱长度，mm；L—柱的长度，mm；c—组合剖面端部支持系数；λ—细长比；Nxcr_localbuckling—局部屈曲载荷；Nxcr_cripping—压损屈曲载荷；Nxcri—部件的压缩稳定性屈曲载荷；Fcc—组合剖面的压缩屈曲应力；Φ—系数；Ecap—缘条弹性模量；Fco—柱屈曲许用值；6.2计算生成梁腹板局部稳定性；四边简支层合板在单位长度单向压缩载荷作用下的屈曲设计许用值计算参考： 其中： —层合板单向压缩载荷作用下屈曲许用值；D11，D22，D12，D66—层合板弯曲刚度；b—层合板宽度；Kc—剪切屈曲系数；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： 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；四边简支矩形层合板在弯曲载荷作用下的屈曲设计许用值计算公式： 其中： Nbcr—层合板在剪切载荷作用下屈曲许用值；Kb—弯曲屈曲系数；D11，D12，D22，D33—层合板弯曲刚度；b—层合板宽度；6.3计算生成水平加筋最小惯性矩、局部稳定性、压损、柱屈曲设计许用值；水平加筋最小惯性矩设计许用值计算公式：Ireq＝Y*hc*tweb3，Y＝Ireqhc*tweb3，X＝hcdc且Y与X需满足以下多项式关系：Y＝-0.006X6+0.129X5-0.962X4+3.424X3-5.645X2+5.105X-1.925其中：Ireq—最小许用惯性矩；hc—加筋高度；dc—相邻两个加筋之间的距离；tweb—梁腹板厚度；Iu—实际组合剖面的惯性矩；水平加筋局部稳定性、压损、柱屈曲许用值计算方法与缘条计算相同；6.4计算满足竖直加筋最小惯性矩设计要求；竖直加筋最小惯性矩设计要求与水平加筋设计要求一致；6.5梁腹板、缘条、加筋的应变许用值通过复合材料积木式试验得到；所述的步骤7，计算翼梁结构各个BAY的安全裕度的过程如下：7.1各个区域元件不同失效模式的裕度计算公式如下： 7.2对于腹板在压缩载荷Nx和剪切载荷Nxy复合作用下，安全裕度计算公式如下： 其中：Rx＝NxNxcr；Rxy＝NxyNxycr；Nxcr——梁腹板只受轴向压缩时，发生屈曲的临界载荷；Nxycr——梁腹板只受剪切载荷时，发生屈曲的临界载荷；7.3对于梁腹板在弯曲载荷Nb和剪切载荷Nxy复合作用下，安全裕度计算公式如下： 其中：Rb＝NbNbcr；Rxy＝NxyNxycr；Nbcr——蒙皮只受弯曲载荷时，发生屈曲的临界载荷；7.4对于加筋需要满足截面最小惯性矩要求，安全裕度计算公式如下： 其中：Istiffener—加筋实际惯性矩；Ireq_stiffener—加筋需要最小惯性矩。

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