力学专业课程设计.

1、研究背景飞机蒙皮的作用是维持飞机外形，使之具有很好的空气动力特性，蒙皮上受力复杂，所以不仅要求蒙皮材料强度高、塑性好，还要求表面光滑，有较高的抗蚀能力。经过精细加工的飞机蒙皮会具有较好的力学性质，但是，由于实际情况的制约，飞机的蒙皮面临着接合和装载其他部件的情况，这就会在蒙皮上打各种各样的孔，用于铆接和安装其他的飞机部件。在这样的情况下，如果蒙皮受到不同方向的各种力作用，其性能会有所下降，因为在蒙皮的孔边会发生应力集中的现象。研究方法当模型上有孔等不规则的形状时，则孔边的应力将远大于无孔时的应力，这是我们常见的应力集中现象。圆孔的集中程度是最低的，因此我们利用ansys有限元分析软件，建立以平

2、板圆孔为基础的模型，通过有限元分析来讨论带孔模型应力集中的优化方法。主要工具：ansys通用有限元分析软件三个问题的研究 一、矩形带孔蒙皮应力集中优化设计； 二、梯形带孔蒙皮应力集中优化设计； 三、长圆孔双向载荷蒙皮应力集中优化设计飞机带孔蒙皮局部应力优化设计参数列表 矩形带孔蒙皮应力集中优化设计为了优化其应力状态，减小其最大应力集中系数，可以改变板的大小，也可以改变孔的直径的大小，还可以保持原来的数据不变，在板上添加其他的孔，槽，或者在原来的孔周围加固。模型如图所示，一边固定，另一边仅受横向上的单向载荷矩形带孔蒙皮应力集中优化设计单个孔时所考虑的因素：蒙皮宽度的影响：蒙皮宽度越大，应力集中系

3、数越小。孔径大小的影响：在变化相当大的范围内，孔径大小对应力集中系数的影响还是比较大的，在小范围内改变孔径对应力集中系数的影响并不大。33.13.23.33.43.50102030SMXSMX孔径大小对最大应力集中系数的影响矩形带孔蒙皮应力集中优化设计重点研究在已有孔旁另打一孔采用控制变量来逼近的方法，即：（1）先固定附加孔的位置，变化其孔的半径，得到SMX最小的半径。2.852.92.9533.053.13.153.20510152025SMXSMX固定距离为固定距离为5050，研究孔，研究孔半径对半径对SMXSMX的影响的影响2.8652.872.8752.882.8852.892.895

4、0102030405060SMXSMX（2）固定孔的半径，变化孔的位置，再一次得到SMX最小的孔的位置。重复上面两步的过程，直到得到较为优化的附加孔的位置和直径为止。固定孔半径为固定孔半径为1919，研究距离对，研究距离对SMXSMX的影响的影响矩形带孔蒙皮应力集中优化设计对结果的分析和推对结果的分析和推论：论：在有限元分析中，对辅助孔的半径和与主孔距离的关系进行分析，结果如右图：0102030405060700510152025最优距离最优距离最优距离由图中可以看出，半径越大，最优点的距离越小，因此可以推测直接将孔改为一个长短轴比例较大的椭圆，应力集中减小效果会更好，但由于技术和时间原因，没

5、有来得及对这种推论作进一步验证。梯形带孔蒙皮应力集中优化设计模型如右图，固定下底，在上底施加纵向匀布载荷。由于载荷加在上底上，应该保持载荷的总和不变，因此在加载时应该选择对应的比例保证载荷总值不变。梯形带孔蒙皮应力集中优化设计从右图中可以看出，上底长度越长，SMX越大，因为随着上底的减小，在载荷总值不变时，下底的应力集中会逐渐明显。0123456020406080100120SMXSMX但是如果考虑重量减小的因素，那么就不同了，如果减小较多的质量，即使增大了一些SMX，也可以使得整个研究更具有工程上应用的价值，因此将减小质量与增大的应力集中系数的比值引入考虑范围可以更为准确的讨论这一问题。梯形

6、带孔蒙皮应力集中优化设计引入新的参数n=所节约面积/增大的应力集中系数，分析n随上底长度变化的趋势，如右图所示。32003250330033503400345035003550360036503700020406080100比值比值比值从该曲线可以看到，减重系数和SMX变化系数呈现出“凸”曲线的变化，即n存在一个极大值点，如果需要同时考虑减重与应力集中情况，那么采取这个极大值无疑是最好的，如果需要着重考虑某方面因素，那么也可以对n进行修改。长圆孔双向载荷蒙皮应力集中优化设计将1中的问题引申，推广到双向加载和约束，并将圆孔改变为长圆孔，更有现实意义。约束和加载如下图所示，其中所加载荷为纵向2、横

7、向1的匀布载荷。长圆孔双向载荷蒙皮应力集中优化设计这个问题可以从矩形的长度和宽度进行考虑，改变矩形的长度不会改变两端半圆的半径，改变量较少，因此首先考虑改变长度矩形长度SMX104.36154.33164.323174.322184.32194.32204.327304.406404.5424.34.354.44.454.54.554.601020304050SMXSMX当矩形的长宽比接近1（但不是1）时，最大应力集中系数是最小的，但是由应力图可以看出，这时应力集中不对称，在边缘容易引起变形。长圆孔双向载荷蒙皮应力集中优化设计由于纵向载荷大于横向载荷（纵向载荷为横向2倍），因此推测改变圆直径会引起集中应力较大的变化，但结果显示，即使变化程度已经很大，最大应力