复合材料加筋壁板长桁参数工程确定方法.pdf

本发明公开了一种复合材料加筋壁板长桁参数工程确定方法，首先根据有限元节点载荷确定相邻长桁之间距离，然后根据复合材料加筋壁板局部屈曲载荷和总体屈曲载荷之间的关系，确定出长桁缘条和腹板的厚度和高度。本发明对复合材料加筋壁板长桁间距的确定给出了工程计算方法，此种方法对长桁布置具有指导意义。本发明对复合材料加筋壁板长桁参数的确定给出了工程计算方法，此种方法对于长桁的参数设计有指导意义。此种方法确定出基本参数，代入有限元模型进行尺寸优化，可以提高计算效率，降低运算成本。

1.复合材料加筋壁板长桁参数工程确定方法，其特征在于，首先根据有限元节点载荷
确定相邻长桁之间距离，然后根据复合材料加筋壁板局部屈曲载荷和总体屈曲载荷之间的
关系，确定出长桁缘条和腹板的厚度和高度，具体包括以下步骤：
第一、确定长桁间距：
①：提取翼展1/3处有限元剖面弯矩载荷M；
②：将①步骤中，剖面弯矩载荷M代入公式(1)，求出复合材料加筋壁板轴力N；
$N=\frac{M}{H_{cp}}---\left(1\right)$
式中：N：上/下翼面总轴力；
M：翼面切面弯矩；
H_cp：翼盒平均高度，计算按公式(2)；
$H_{cp}=\frac{H_1+H_2+2H_{max}}{4}---\left(2\right)$
式中：H₁：剖面前梁翼型高度；
H₂：剖面后梁翼型高度；
H_max：剖面最大外形高度；
③：计算翼面承受总轴力所需的总面积A，按公式(3)计算；
$A=\frac{N}{E\×\mathrm{\ϵ}}---\left(3\right)$
式中：E：弹性模量，初步计算E取值55GPa；
ε：设计需用应变，初步设计时ε取值3200με；
④：确定长桁面积A_st和蒙皮面积A_sk；初步计算长桁面积按A_st＝0.35A，蒙皮面积按A_sk＝
0.65A；
⑤：确定蒙皮厚度δ_sk，按公式(4)计算；
${\mathrm{\δ}}_{sk}=\frac{A_{sk}}{B}---\left(4\right)$
式中：B：翼面剖面前后梁之间距；
⑥：确定长桁间距b，按公式(5)计算；
$N_x=\frac{{\mathrm{\π}}^2{D}_{22}}{b^2}\[\frac{D_{11}}{D_{22}}{\left(\frac{b}{a}\right)}^2{m}^2+2\left(\frac{D_{12}+2D_{66}}{D_{22}}\right)+{\left(\frac{a}{b}\right)}^2\frac{1}{m^2}\]---\left(5\right)$
式中：b：长桁间距；
D_ij：复合材料加筋壁板蒙皮弯曲刚度系数；初步计算时，0°取值40％，90°取值10％，±
45°取值50％；
α：翼肋间距；
m：沿长桁方向屈曲半波数；
N_x：按公式(6)计算；
N_x＝E×ε×δ_sk (6)
第二、确定长桁参数：长桁参数主要有长桁缘条宽度b_f、长桁腹板高度h_w、长桁缘条厚度
t_f和长桁腹板厚度t_w：
①长桁缘条厚度t_f一般为蒙皮厚度的0.5～0.8δ_sk，初步计算t_f＝0.8δ_sk；
②长桁腹板厚度t_w取值为2倍的长桁缘条厚度t_f，t_w＝2t_f；
③确定长桁缘条宽度b_f，按公式(7)计算；
b_f＝6D+t_w+14 (7)
式中：D：修理时所需要紧固件直径；
t_w：长桁腹板厚度；
②：确定长桁腹板高度h_w，按公式(8)计算；
$N_x\×b=\frac{P_e}{1+{\mathrm{\λP}}_e/{\mathrm{Gt}}_w{h}_w}---\left(8\right)$
式中：N_x：按公式(6)计算得出；
b：按公式(5)计算得出；
λ：形状系数，初步计算λ＝1.2；
G：长桁腹板剪切模量，初步计算G取值15～20；
t_w：长桁腹板厚度；
P_e：复合材料加筋壁板欧拉屈曲载荷。初步计算按公式(9)计算；
$P_e=\frac{{\mathrm{c\π}}^2\left(EI\right)}{a^2}---\left(9\right)$
式中：c：复合材料加筋壁板端部支持系数，初步计算c＝1；
EI：复合材料加筋壁板剖面弯曲刚度；
α：翼肋之间距离。

复合材料加筋壁板长桁参数工程确定方法

技术领域

本发明属于飞机结构设计技术领域，具体涉及复合材料加筋壁板长桁参数工程确
定方法。

背景技术

随着工程优化设计方法的不断完善，复合材料结构优化设计已经从简单的层压板
设计拓展到加筋壁板设计。怎样减轻飞机结构重量，是飞机设计结构工程师一直追求的目
标。针对复合材料加筋壁板长桁参数的确定，目前工程设计中没有行之有效的方法，本发明
提出一种复合材料加筋壁板长桁参数工程确定方法。目前在役飞机复合材料加筋壁板结构
设计主要基于工程经验，没有给出相邻长桁之间距离和参数确定方法。

发明内容

发明目的：针对复合材料加筋壁板长桁参数的确定问题，本发明提出了复合材料
加筋壁板长桁参数工程确定方法。

技术方案：复合材料加筋壁板长桁参数工程确定方法，其特征在于，首先根据有限
元节点载荷确定相邻长桁之间距离，然后根据复合材料加筋壁板局部屈曲载荷和总体屈曲
载荷之间的关系，确定出长桁缘条和腹板的厚度和高度，具体包括以下步骤：

第一、确定长桁间距：

①：提取翼展1/3处有限元剖面弯矩载荷M；

②：将①步骤中，剖面弯矩载荷M代入公式(1)，求出复合材料加筋壁板轴力N；

式中：N：上/下翼面总轴力；

M：翼面切面弯矩；

H_cp：翼盒平均高度，计算按公式(2)；

式中：H₁：剖面前梁翼型高度；

H₂：剖面后梁翼型高度；

H_max：剖面最大外形高度；

③：计算翼面承受总轴力所需的总面积A，按公式(3)计算；

式中：E：弹性模量，初步计算E取值55GPa；

ε：设计需用应变，初步设计时ε取值3200με；

④：确定长桁面积A_st和蒙皮面积A_sk；初步计算长桁面积按A_st＝0.35A，蒙皮面积按
A_sk＝0.65A；

⑤：确定蒙皮厚度δ_sk，按公式(4)计算；

式中：B：翼面剖面前后梁之间距；

⑥：确定长桁间距b，按公式(5)计算；

式中：b：长桁间距；

D_ij：复合材料加筋壁板蒙皮弯曲刚度系数；初步计算时，0°取值40％，90°取值
10％，±45°取值50％；

α：翼肋间距；

m：沿长桁方向屈曲半波数；

N_x：按公式(6)计算；

N_x＝E×ε×δ_sk (6)

第二、确定长桁参数：长桁参数主要有长桁缘条宽度b_f、长桁腹板高度h_w、长桁缘条
厚度t_f和长桁腹板厚度t_w：

①长桁缘条厚度t_f一般为蒙皮厚度的0.5～0.8δ_sk，初步计算t_f＝0.8δ_sk；

②长桁腹板厚度t_w取值为2倍的长桁缘条厚度t_f，t_w＝2t_f；

③确定长桁缘条宽度b_f，按公式(7)计算；

b_f＝6D+t_w+14 (7)

式中：D：修理时所需要紧固件直径；

t_w：长桁腹板厚度；

②：确定长桁腹板高度h_w，按公式(8)计算；

式中：N_x：按公式(6)计算得出；

b：按公式(5)计算得出；

λ：形状系数，初步计算λ＝1.2；

G：长桁腹板剪切模量，初步计算G取值15～20；

t_w：长桁腹板厚度；

P_e：复合材料加筋壁板欧拉屈曲载荷。初步计算按公式(9)计算；

式中：c：复合材料加筋壁板端部支持系数，初步计算c＝1；

EI：复合材料加筋壁板剖面弯曲刚度；

α：翼肋之间距离。

有益效果

本发明对复合材料加筋壁板长桁间距的确定给出了工程计算方法，此种方法对长
桁布置具有指导意义。本发明对复合材料加筋壁板长桁参数的确定给出了工程计算方法，
此种方法对于长桁的参数设计有指导意义。此种方法确定出基本参数，代入有限元模型进
行尺寸优化，可以提高计算效率，降低运算成本。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。

相邻长桁之间间距布置主要遵守以下原则：

1)：长桁强，蒙皮弱，长桁间距比较大；反之，长桁间距较小。

2)：受压壁板的长桁间距较小，受拉壁板的长桁间距较大。

3)：初设计时，可参照现有飞机的统计数据确定。

最终布置原则主要参考统计数据，小型飞机长桁间距为100mm左右；中型飞机为
150mm左右；大型飞机为200mm左右。

针对长桁参数确定，主要长桁面积确定，确定原则如下：

1)：在蒙皮和长桁压缩屈曲应力相等的情况下，长桁截面积与蒙皮截面积的最佳
比例为1:4。

2)：对于整体壁板的最佳设计，垂直凸缘的截面积与蒙皮截面积之比为1:7。

3)：在组合组件的欧拉柱应力等于蒙皮的初始屈曲应力的情况下，其长桁截面积
与蒙皮截面积的最佳比例为1:5。

4)：对于最小重量设计，与蒙皮相连的长桁厚度与蒙皮厚度之比为1:0.5。

上述长桁参数确定方法主要适用于金属结构，针对复合材料加筋壁板设计适用性
不强。

本发明方法的实现具体包括以下步骤：

第一、确定长桁间距：

⑦：提取翼展1/3处有限元剖面弯矩载荷M；

⑧：将①步骤中，剖面弯矩载荷M代入公式(1)，求出复合材料加筋壁板轴力N；

式中：N：上/下翼面总轴力；

M：翼面切面弯矩；

H_cp：翼盒平均高度，计算按公式(2)；

式中：H₁：剖面前梁翼型高度；

H₂：剖面后梁翼型高度；

H_max：剖面最大外形高度；

⑨：计算翼面承受总轴力所需的总面积A，按公式(3)计算；

式中：E：弹性模量，初步计算E取值55GPa；

ε：设计需用应变，初步设计时ε取值3200με；

⑩：确定长桁面积A_st和蒙皮面积A_sk；初步计算长桁面积按A_st＝0.35A，蒙皮面积按
A_sk＝0.65A；

确定蒙皮厚度δ_sk，按公式(4)计算；

式中：B：翼面剖面前后梁之间距；

确定长桁间距b，按公式(5)计算；

式中：b：长桁间距；

D_ij：复合材料加筋壁板蒙皮弯曲刚度系数；初步计算时，0°取值40％，90°取值
10％，±45°取值50％；

α：翼肋间距；

m：沿长桁方向屈曲半波数；

N_x：按公式(6)计算；

N_x＝E×ε×δ_sk (6)

第二、确定长桁参数：长桁参数主要有长桁缘条宽度b_f、长桁腹板高度h_w、长桁缘条
厚度t_f和长桁腹板厚度t_w：

④长桁缘条厚度t_f一般为蒙皮厚度的0.5～0.8δ_sk，初步计算t_f＝0.8δ_sk；

⑤长桁腹板厚度t_w取值为2倍的长桁缘条厚度t_f，t_w＝2t_f；

⑥确定长桁缘条宽度b_f，按公式(7)计算；

b_f＝6D+t_w+14 (7)

式中：D：修理时所需要紧固件直径；

t_w：长桁腹板厚度；

②：确定长桁腹板高度h_w，按公式(8)计算；

式中：N_x：按公式(6)计算得出；

b：按公式(5)计算得出；

λ：形状系数，初步计算λ＝1.2；

G：长桁腹板剪切模量，初步计算G取值15～20；

t_w：长桁腹板厚度；

P_e：复合材料加筋壁板欧拉屈曲载荷。初步计算按公式(9)计算；

式中：c：复合材料加筋壁板端部支持系数，初步计算c＝1；

EI：复合材料加筋壁板剖面弯曲刚度；

α：翼肋之间距离。