佟德喜

摘 要： 本文主要論述了在飛機(jī)型號(hào)研制初期，為適應(yīng)總體參數(shù)不斷變化的情況，快速選定較合理的機(jī)身總體承力結(jié)構(gòu)布局方案的一種方法。該方法主要基于在已成功研制型號(hào)上應(yīng)用的有限元切面計(jì)算程序及常用的EXCEL、CATIA軟件，操作簡(jiǎn)單，容易上手，基本能夠滿足型號(hào)研制初期進(jìn)行方案選擇的使用要求。

關(guān)鍵詞：機(jī)身；總體承力結(jié)構(gòu)布置方案；有限元切面計(jì)算程序

目前的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件主要集中在結(jié)構(gòu)尺寸和形狀的優(yōu)化，而結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化還不夠成熟，涉及較少；傳統(tǒng)的飛機(jī)研制方案階段的結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化軟件，需提供的數(shù)據(jù)量大，方案初期總體數(shù)據(jù)不斷調(diào)整，結(jié)構(gòu)布局方案隨之變化，單純依靠結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化軟件提供結(jié)構(gòu)布局方案，周期過長(zhǎng)，難以滿足在當(dāng)前緊迫的型號(hào)研制工作中的需求。因而如何利用現(xiàn)有工具軟件，通過定量的計(jì)算得到一個(gè)較合理的方案，就成為一個(gè)關(guān)鍵的問題。對(duì)于當(dāng)前型號(hào)，重量問題尤為突出，因此評(píng)價(jià)方案合理與否的關(guān)鍵因素是重量。

參照原準(zhǔn)機(jī)定性選擇出較好的幾個(gè)方案，分別進(jìn)行選擇截面、強(qiáng)度校核，修改截面、再?gòu)?qiáng)度校核，重復(fù)迭代將各個(gè)方案調(diào)至相同的應(yīng)力水平，按照各個(gè)方案的最終截面進(jìn)行重量比較，綜合考慮以選定一個(gè)最終方案。

1 概述

主要步驟包括在CATIA中建立幾何模型、應(yīng)用CATIA知識(shí)工程進(jìn)行結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的提取、使用EXCEL將結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為切面計(jì)算程序的輸入、切面計(jì)算程序計(jì)算、計(jì)算結(jié)果的處理等。

其關(guān)鍵在于結(jié)果處理中應(yīng)力水平的控制。

以現(xiàn)有某型飛機(jī)機(jī)身蒙皮、長(zhǎng)桁結(jié)構(gòu)布局四種方案的優(yōu)選為例進(jìn)行說明。

待總體確定機(jī)身外部艙門位置后，各大梁位置基本確定，因此總體承力系統(tǒng)的布局調(diào)整集中到蒙皮和長(zhǎng)桁的調(diào)整上面。

2 某型飛機(jī)蒙皮、長(zhǎng)桁布局優(yōu)選

2.1 總體承力系統(tǒng)CATIA模型的建立

假設(shè)長(zhǎng)桁都承受正應(yīng)力而不失穩(wěn)，蒙皮只能承受剪流，

2.2 結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的提取

以常規(guī)切面計(jì)算需提供的切面數(shù)據(jù)為有限元切面計(jì)算的切面原始數(shù)據(jù)。包括：節(jié)點(diǎn)號(hào)、節(jié)點(diǎn)座標(biāo)、長(zhǎng)桁面積、蒙皮厚度等。并將其轉(zhuǎn)化為切面計(jì)算程序的輸入格式，如圖2所示。

2.3 計(jì)算結(jié)果的處理

計(jì)算結(jié)果圖3所示。

2.4 臨界應(yīng)力的計(jì)算

蒙皮、長(zhǎng)桁均按2A12材料進(jìn)行計(jì)算。為提高長(zhǎng)桁局部臨界應(yīng)力，均選用帶圓頭的擠壓型材，這樣局部臨界應(yīng)力都大于300MPa。因此，長(zhǎng)桁只需用總體失穩(wěn)臨界應(yīng)力來控制即可。

對(duì)于鉚接在蒙皮上的長(zhǎng)桁，由于它只能和蒙皮一起彎曲，而蒙皮在其本身平面內(nèi)剛性很大，難以發(fā)生彎曲，所以長(zhǎng)桁只能繞x軸（即垂直于長(zhǎng)桁縱軸而又平行于蒙皮平面的一條軸）而失穩(wěn)。

（2）求臨界應(yīng)力

按歐拉公式 計(jì)算得 =117MPa，與相應(yīng)的切面計(jì)算桿件的壓應(yīng)力比較，將安全裕度MS控制在一定范圍內(nèi)，如0～1之間，以達(dá)到對(duì)桿件應(yīng)力水平的控制。

按照以上步驟將定性選出的幾個(gè)方案的桿件應(yīng)力水平控制在近似相等的程度，根據(jù)最終的截面尺寸計(jì)算各個(gè)方案的重量，以重量最輕原則優(yōu)選出一個(gè)最終的方案。

3 型號(hào)研制中的應(yīng)用

根據(jù)切面計(jì)算結(jié)果及其分析，上體長(zhǎng)桁間距110mm比較合適。

通過大量計(jì)算、分析、對(duì)比，結(jié)論是：密長(zhǎng)桁、薄蒙皮確實(shí)可以保證強(qiáng)度和減輕重量，例如桁距200mm和桁距105mm比較，每平方米長(zhǎng)桁、蒙皮組合減重1.322千克。

4 結(jié)語(yǔ)

本文的研究工作是建立在某型飛機(jī)機(jī)身的CATIA理論數(shù)模上，在此數(shù)模上進(jìn)行長(zhǎng)桁、蒙皮的布置，

但遺憾的是由于時(shí)間的關(guān)系，只選取了13-18框的桁梁、蒙皮進(jìn)行了四個(gè)方案的比較優(yōu)化，而且未與相應(yīng)的布局優(yōu)化軟件分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，這一點(diǎn)將是我今后首要解決的問題。同時(shí)由于研制階段的限制，目前的載荷工況并不完全，因此，只能暫時(shí)確定布局，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)尺寸僅供參考，不能直接應(yīng)用。

目前是考慮了加工尺寸及艙門位置進(jìn)行的蒙皮分塊，若完全按應(yīng)力分布進(jìn)行蒙皮分塊，或許可以得到更輕的重量方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫爾業(yè)譯.《飛機(jī)結(jié)構(gòu)典型強(qiáng)度計(jì)算機(jī)身計(jì)算》.中國(guó)人民解放軍軍事工程學(xué)院.1957年5月.

[2]郭景川.《飛機(jī)結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度、剛度、損傷容限綜合設(shè)計(jì)》.強(qiáng)度研究所.2006年.