[发明专利]一种复合材料加筋壁板结构长桁间距的确定方法

说明书

本发明涉及一种复合材料加筋壁板结构长桁间距的确定方法，属于飞行器复合材料机体结构强度设计领域。包括以下步骤：S1：通过长桁截面参数，得到长桁截面的有效厚度t_adj、有效宽度w_eff和有效横截面积A_eff的表达式；S2：计算加筋壁板截面的等效弹性模量E_eqv；S3：建立复合材料加筋壁板结构承载能力的本构方程；S4：采用有效横截面积和剪切模量修正本构方程；S5：确定复合材料加筋壁板结构长桁间距。本发明的方法能够在满足结构强度要求的基础上，设计出结构最优尺寸构型；有助于减少不必要的保守设计，极大的缩短了研发时间、减少研发费用；减少反复试验带来的时间及经济成本，有利于优化结构设计和挖掘结构减重能力，降低运输成本。

技术领域

本发明涉及一种复合材料加筋壁板结构长桁间距的确定方法，属于飞行器复合材料机体结构强度设计领域。

技术背景

复合材料是一种新型材料，和传统金属材料相比具有高比强度、高比刚度、可设计性强、优异的抗疲劳性能等优点，已经被广泛的应用到航空航天、车辆船舶、机械工程等领域。复合材料加筋壁板是现代飞机设计中一种典型的承力结构，已经大规模应用于飞机的机翼、机身和尾翼，其细节设计对于减轻结构重量、提高结构承载能力等都将具有积极的作用。准确的复合材料加筋壁板结构长桁间距及截面尺寸的分析方法会对复合材料结构设计起到指导性作用。国际上，比较有代表性的是Antonio等人利用数值分析的方法研究了长桁横截面的几何形状对于其承载能力的影响，但是其没有进行试验验证，没有进一步分析合理的截面尺寸应该怎么设计，也没能给出如何确定长桁间距。在国内，复合材料设计技术在商用飞机上的应用成熟度相对较低，目前并未形成标准的复合材料加筋壁板结构长桁间距及截面尺寸的确定方法，大多借鉴波音空客的经验数据，这样不能真实反映飞机服役过程中的应力、应变分布情况，而且可能带来过于保守的设计。依据以往波音和空客的设计分析经验，长桁的间距及截面尺寸是影响复合材料结构承载能力的关键因素。但是，截止到目前，国内外对于长桁的设计依然采用的是“尝试法”，即：通过有限元仿真分析+试验验证的方法，反复的调整长桁参数和重复试验，进行寻找最佳的长桁间距和截面尺寸。该方法耗费大量的人力和物力，且研制迭代效率较低，周期较长。

发明内容

本发明的目的是为民用飞机复合材料加筋壁板结构提供一种长桁间距的确定方法，弥补在复合材料加筋壁板结构长桁设计方面的方法不足，本发明的方法可适用于I型、T型、L型和C型等多种形状的长桁。

本发明方法的具体步骤如下：

S1：通过长桁截面参数，给出长桁截面的有效厚度t_adj、有效宽度w_eff和有效横截面积A_eff的表达式，计算公式为：

t_adj＝t_skin+(2t_sf1E_sf1b_sf1+2t_sf2E_sf2b_sf2+t_fbE_fbb_fb)/(b_stE_skin) (1)

w_eff＝0.95t_adj/(ε_c)^1/2 (2)

A_eff＝w_efft_adj+h_webt_web (3)