飞机带孔蒙皮局部优化设计

--------飞机带孔蒙皮局部应力优化设计对于工程实际问题格外重要。一、带中心孔平板应力集中优化设计模型参数2m对于工程实际问题格外重要。一、带中心孔平板应力集中优化设计模型参数2m×２m,t=0.5m；＝7．2×1０0Ｎ/2,μ=0３2；边界条件：薄板底边沿载荷方向的位移为０，薄板顶边受到均布载荷q=1000N/m2。薄板圆孔应力集中探究２．1无限大板圆孔应力集中的弹性力学理论可 以 知 道 沿圆孔边,在孔顶部和底部，即ƿ=R沿圆孔边,在孔顶部和底部，即ƿ=RƟ=±90°，有最大应力,即应力Ａnsｙs模型计算图错误!不能识别的开关参数。建模和网格划分以ｒ＝0.１ｍ为例说明计算结果:图错误!不能识别的开关参数。 r=0.1m的应力云图anｓys计算得到的结果如下：r／ｍ0.５0.40.３0.20．10.０5最大应力53193２9822852应力集中系数5.０1２4．0743．52１3.1932.９822.852作出应力集中系数随半径变化的图线如下:可见,应力集中系数随着半径的减小而渐渐减小,当半径r<０．1m时，应力集中系数<3。当r=０.1m,根本可以模拟无限大板的抱负状况了。2.2弹性力学理论验证依据弹性力学理论可知,无限大板中心孔最大应力集中系数为3,与孔径无关。下面通过连续减小孔径来验证这个结论：半径ｒ/m0.040．03０.02０.０1０.0080.００6最大应力2９4129３7293３29３22９３12９30应力集中系数2.94１２.９372.93３2.93２2.93１２.930作出应力集中系数随半径变化的图线如下：可见,当半径足够小时,应力集中系数随着半径的变化根本不变,大约是2．93，与理论值有肯定的误差,这可能是计算软件不够准确造成。在无视软件计算误差的状况下，可以认为验证了弹性力学的结论。平板圆孔应力集中优化探究模型参数2m×２ｍ，厚度t＝2m;中心孔孔径r=0.1m;E=7２×1010Ｎ/2=．3２；边界条件：薄板底边沿载荷方向的位移为0，薄板顶边受到均布载荷ｑ=1００N／m2。模型未优化前的应力云图如上文图1所示。3．２单孔优化问题小孔的位置和大小是影响优化效果的关键因素在耦合。下面对角度、孔径、孔心距三个因素分开争论。角度影响 〔此时小孔孔径r=0．05m，与中心孔孔心距为0.5m)以角度120°时的计算结果说明过程:图错误未定义书签。120°时的优化应力云图Ａｎsys计算结果列表如下：r/m90°105°１２0°13５°150°1６5°１80°最大应力2945296933０75300９应力集中系数2.9452.9693．0453.１723.2133.０7５3．００9作出应力集中系数随角度变化的图线：可见，当角度为9０°时,应力集中最小，即优化效果最好。角度上。孔间距的影响 (此时小孔在９０°位置,孔径为０.05m)以孔间距０．25为例说明计算过程:图错误不能识别的开关参数。0.2５优化时的应力云图Anｓys计算结果列表如下:孔间距/m0.５0.450．40.３5０.３0.250.2最大应力29452917２9１42９０6290１２88８29０5应力集中系数2.9４5２.９１7２．9142.9０62.9012.8882.905作出应力集中系数随孔间距的变化图线如下:可见,0．２5ｍ时,应力集中最小，即优化效果最好。但由于此处数据间隔取得大,结果不准确，需要进一步细化步长,找出相对准确度的结果。下面在孔间距为０.25四周细化步长，计算结果列表如下:孔0.240.２０.250０.250.255０．2570．260.26０.2６0．20.2间５473０3４６5６距６／m最288289２88289２2888２8９8289７２2８928728大92８893４5９5应力应２.82.８２．８2.８2．888２.８9２．８2.89２．８２. 2.8力８９28892８9７39４８ 9５集９７5中系数作出应力集中系数随孔间距的变化图线如下:可见，经过细化步长,得出较为准确的结论,当孔间距为0.２6５m时,单孔优化效果最好。孔径的影响〔90°，孔间距为０．265ｍ)0．09m为例说明计算结果：Anｓys计算结果列表如下：r／m０.１０.0９0.0８0.0７0.06０．０５0．040.03０.０2最大应力2681278472875291629442９57应力集中2．68１2.7072．764２.80７２.84728７52．9１６2．944２．957系数作出应力集中系数随孔径的变化图线如下:可见，当孔径为0.1ｍ时，应力集中最小,即优化效果最好。但由于此处数据间隔取得大,结果不准确,需要进一步细化步长,找出相对准确度的结果。0．09～0．1之间细化步长,计算结果列表如下：孔径ｒ/m0.10.０98０．0970.0960.0950.09最大应力／N26812６712６682670２6７6２707应力集中系数2.681２.６7２．6682．67０2.６762.707１作出应力集中系数随孔径的变化图线如下：0.０97m时,中心孔处应力集中最小，优化效果最好。但是考虑到孔径和孔间距可能存在耦合，需进一步验证。以孔间距０.2５m为例,来进一步论证。计算结果列表如下〔此处只列出细化后的结果):r／ｍ0.10.０９80.097０.0960．0950.09最大应力2669２６６226５７266３26６82702应力集中系数2.6６92.6６22．６57２.６632.66８2.7０2作出应力集中系数随孔径的变化图线如下：可见,转变孔间距,0.０97m时，中心孔处应力集中最小,优化效果最好。单孔优化结论〔带中心孔的薄板)进展应力集中优化时,和中心孔孔心连线平行于载荷方向，距离中心孔0..２65m处,孔径为０.09７m。3.３双对称孔优化问题由于构造的对称性，考虑打孔优化时，也用对称构造做成双孔(孔的位置和外形均对称)。同样的,在双孔优化的问题中，小孔的位置和大小也是影响优化效果的关键因素,并且小孔的孔径和与大孔孔心的距离之间存在耦合。下面对角度、孔径、孔心距三个因素分开争论。角度因素(0.085m0.25m)4５°为例说明计算结果:图错误未定义书签。４5°应力云图系数Ansys计算结果列表如下：系数双孔角度90°105°120°135°150°165°180°最大应力25应力集中2．５033.16５3.6１45１６４.5164９654．9６54５704.5703９163.9１6作出应力集中系数随角度的变化曲线:可见,当角度为９0°时，应力集中最小,即优化效果最好。得出结论:假设用打对称双孔的方法来优化时，应将双孔打在和大孔轴心连线与载荷平行的角度上。孔径的影响(90°,0.25m)以孔径r=0.０8m为例说明计算结果:图4 双孔孔径r=０．08m的应力云图Ansｙs计算结果列表如下:双孔孔径0.10.０90.０8０.07０.0６最大应力应力集中２６２.６０52．5532.532６５82．65827６6２.788系数作出应力集中系数随孔径变化的曲线：可见,0.08m时,优化效果最好。可以看出最好孔径应在０.0８~0．0９m之间。下面细化步长求出较准确的孔径。Aｎsys计算结果列表如下:双孔半径0.080.08１0．00.0830.0840.0８0.08７0．09最大应力2５３2497８22488249５25２553２应力集中系数 2．532 2.４97 2.4８8

2.490 04

2．503 ２．525 2.５5３作出应力集中系数随孔径变化的曲线:0.08２m时，优化效果最好。孔间距因素〔此时小孔９0°位置,孔径０.０８２ｍ)0.20为例说明计算结果:图错误未定义书签。0．20ｍ时的应力云图Ansｙs计算结果列表如下:孔间0．50.40.30.２0.１０.190.１０.190.190.1900.1８５距9９８97６５最大2８126952５2486２２４２248２2504２529应力１６44879０486３490应力2.82．6952.５2．42．42.４2.42.４2.490２.504２．529集中１14６８6８７90８83系数６作出应力集中系数随孔间距变化的图线:可见,0.196m时,应力集中系数最小,优化效果最好。由单孔优化的结论可见,孔径和孔间距不存在耦合。不需再变化孔径进展验证了。双孔优化结论对于本例模型(带中心孔的薄板〕进展应力集中优化时，假设打对称双孔,孔的位置应当是：和中心孔孔心连线平行于载荷方向，距离中心孔0.19６ｍ处，孔径为０.08２m。

０.３2;1.模型参数1.模型参数R,厚度为t=0.5m;材料：硬铝，弹性模量E=7.2×１０10N/m2，泊松YF=１０00N。在正方形板的底边上,作出一个半圆孔，其他条件不变的条件下,随半圆孔孔径减小化,板上的应力分布状况渐渐趋于均匀，只在半圆孔四周趋于有明显的变化。0.5m减小到０.2m时,应力分布状况均匀，只在R=０.2ｍ。减重和应力集中的共同优化问题优化分析在飞机构造的设计上，最主要的问题有飞机的强度问题和飞机的经济性问题。对于模型所示的正方形蒙皮薄板,左右边上的材料对于构造的强度上起到的作用很小,假设把左右边上的材料切掉,构造的强度虽然被减弱，但构造的重量将大大减轻,符合飞机构造设计的要求。下面来争论减重和应力集中共同优化的问题，在这里，我们认为减重问题和。并且只转变梯形顶边长度。优化过程最大应力为１566N。1．２m为例说明计算结果：图错误不能识别的开关参数。1.2ｍ时应力分布云图Ansys计算结果列表如下：减重状况减重后面积减重后最大应减重百分比应力集中增加百分比减重/增力1.73.6372170０7.62％８.5６%0.89０梯形１.63.53721745１11.43%０.8893．43721７8９０.16%12.7０%１４.24%0.8801.43.337218１０1５.24％15.58%0．9７8梯形3．2３72１887１２0.50%0.86７１．３７．78%1.23.13721９１52０32%２2.2９%0.９１23.0372199222.86%27．２0%０．8401.02.９3７2202325.４0％28.８0％0.88２(减重/增力〕随梯形顶边长变化的图线：------:1.4m时，减重和应力集中的共同优化效果最好。--优化结论当梯形顶边长度为1.4ｍ时，减重和应力集中的共同优化效果最好。三长圆孔问题模型参数2m×2m,t=0．5m；材料为硬铝，弹性模量Ｅ=．2×10１0Ｎ/m2０.32;,0；薄板顶边q1=10０0N/m2，右边收到均布载荷ｑ2=５00N/m２。优化问题长圆孔在本模型中，掌握的变量是薄板中心的长圆孔的尺寸，即长和半圆的半径之比,半径。选择适宜的比例,使得长圆孔周边应力分布均匀。以长=0．2m，长/半径=2为例说明计算结果：--------图6 长0.２半径0．1的长圆孔平板应力云图下面将ａｎｓys计算结果展现如下：通过比较各尺寸下的长圆孔的应力分布云图，来确定应力分布均