IJM  >> Vol. 8 No. 1 (March 2019)

    加强凸台的构造参数优化设计
    Optimization Design of Structure Parameters of the Strengthening Boss

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作者:  

刘伟,张铮:北京航空航天大年夜学,北京;
凌云霞,伊荣,徐阿玲:中国航空综合技巧研究所,北京

关键词:
凸台疲惫寿命构造要素优化设计Boss Fatigue Life Fundamental Structure Element Optimal Design

摘要:

凸台是一种经常使用的孔边加强方法,本文经过过程无限元软件ANSYS建立孔边凸台构造模型,分析了一阶和二阶加强凸台构造尺寸对构造静强度和疲惫寿命的影响。经过过程无限元模型分析,本文以凸台高度、厚度和底部过渡圆角为构造要素,建立了凸台优化设计的方法和准绳;在此基本上,结合工程实际,本文给出了二阶凸台设计的方法和准绳,且合适于多阶凸台设计。本文的研究成果为孔边加强凸台的构造设计供给了参考和指导,所得成果具有优胜的工程参考价值。

The boss is a common shape of reinforcement for holes. Based on finite element modeling, this paper established the design principles and procedure for bosses through three fundamental structure elements, i.e. height, width, and transitional fillet radius. The influence of these elements on static strength and fatigue life of the boss was discussed and illustrated. Further, this paper also discussed the design of two-order bosses following the design of general boss above, combined with engineering requirements. The study in this paper is beneficial for engineering, and the demonstration shows optimization of the design which provides the meaningful reference and guidance for design of the hole-side boss structures.

1. 引言

飞机构造中含有各类类型的孔,如翼梁、翼肋及框腹板上的各类孔。由于孔边会出现应力集中,不只对构造的静强度设计产生重要影响,特别是在疲惫载荷感化下易产生裂纹,从而大年夜大年夜降低了飞机构造的靠得住性 [1] 。为懂得决这个成绩,今朝工程上常采取的方法是停止孔边加强,如设置孔边加强凸台。

现阶段凸台构造的疲惫寿命分析还很少,个中周松官等人经过过程无限元软件Patran和Nastran分析了机加凸台和单侧加强板补强开孔矩形板受面内剪切载荷时的稳定性 [2] ;郑参谋等人采取遗传算法对孔边凸台构造停止基于毁伤容限设计思维的优化设计,研究了等重量情况下孔边凸台构造的最优寿命及对应的最好凸台构造宽厚比 [3] ,继而杜玉梅等人对单边凸台和双边凸台停止了构造断裂品德的比较 [4] 。多半学者努力于经过过程凸台强度和稳定性研究凸台的优化设计,本文经过过程进一步研究补强体积变更对寿命的影响,并评论辩论等补强体积下一二阶凸台的应力关系。

本文自创前述学者研究成果 [5] [6] ,基于毁伤力学办法,将静强度和疲惫寿命停止综合分析,经过过程静态强度对凸台构造中表里侧的最大年夜应力停止比较分析,经过过程毁伤计算分析凸台尺寸对疲惫寿命的影响。建立了以补强体积为衡量标准的凸台设计优化准绳,并提出了在必定范围内固定补强体积下凸台的优化尺寸,为工程应用供给参考。

2. 计算模型

2.1. 模型参数

推敲到应力集中效应,开口普通为圆形、椭圆形或许带圆角的矩形,经过过程应力分析不难发明圆形开口对构造强度减弱最小,且圆形开口工艺比较简单,所以开口设计以圆形为佳 [1] ,工程应用中也较为罕见,是以本次研究也以此为研究对象。推敲单向受载情况,建立加强凸台的1/4模型,如图1所示,并施加对应的对称界线条件。载荷按照均布应力方法施加,疲惫载荷应力幅值按照100 MPa拔取。

关于中部打孔的圆形加强凸台,与应力分布相干的尺寸要素有凸台内通孔半径r、凸台宽度a、凸台厚度h、凸台底边圆角半径rc、壁板厚度H、壁板尺寸L与W等。推敲到壁板尺寸H、W、L曾经肯定,凸台内通孔的半径大年夜小r取决于需求大年夜小,则只须要评论辩论凸台宽度a、厚度h、底边圆角rc对构造最大年夜应力的影响便可。

Figure 1. Diagram of the 1/4 strengthen boss

图1. 加强凸台1/4模型表示图

2.2. 无限元模型应力分布

根据图1的模型表示图,应用ANSYS 18.0建立加强凸台的无限元模型,如图2所示,施加均布拉应力(偏向参看图3),对模型停止应力计算和分析,应力分布如图3所示。

Figure 2. Model mesh of the 1/4 strengthen boss

图2. 加强凸台1/4模型网格划分

Figure 3. Stress distribution of the 1/4 strengthen boss

图3. 加强凸台1/4模型应力分布

根据加强凸台的无限元分析成果(见图3)可以发明,单向拉伸时构造会出现两处较大年夜应力,一个是加强凸台外侧底部圆角(如图3左图),以下称为A区域;另外一个是通孔内壁底部(如图3右图),以下称为B区域。明显,加强凸台外侧的底边圆角越大年夜,A区域的最大年夜应力就越小。经过过程计算发明,只需底面过渡圆角较大年夜,则A区域的最大年夜应力小于B区域的最大年夜应力。由于大年夜过渡圆角有益于加工,是以,设计较大年夜过渡圆角具有优胜的可行性,更重要的是,较大年夜过渡圆角使得孔边(凸台内侧)应力最大年夜(即A区域应力最大年夜),从而简化设计过程。

3. 一阶凸台尺寸计算

关于圆形加强凸台来讲,其开口增添材料体积计算式为:

V = π r 2 H (1)

而加强凸台增长体积与开口增添体积之比为:

v / V = π ( r 0 2 r 2 ) ( H 0 H ) π r 2 H = ( r 0 2 r 2 1 ) ( H 0 H 1 ) (2)

个中r0为补强圆环的半径,r为原开口的半径,H0为补强地位的全板厚度,H为原板厚度,该式表达了补强部分与壁板缺掉部分的体积比(重量比)。工程设计上r0均有必定的取值范围,补强有效影响区域为r0/r = 1.41~2.24范围内,逾越此区域补强掉效。

3.1. 一阶凸台尺寸的静力分析

分别在不合固定体积比的情况下改变加强凸台的尺寸取得静力加载下最大年夜应力的变更曲线,如图4所示,图中曲线从上至下,补强体积顺次为缺口的2、4、6、8、10倍。

Figure 4. Curve of the boss width, the maximum stress (fixed reinforcement volume)

图4. 加强凸台宽度—最大年夜应力曲线(固定补强体积)

图4可以看出,每个别积比下都有一个应力极小值,即对应最优凸台尺寸。将上述各最优取值点拟合,可得以下拟合方程:

a r = p 1 ( v V ) 2 + p 2 ( v V ) + p 3 (3)

个中p1 = −0.00464,p2 = 0.113,p3 = 0.536。

根据此公式可以找到各补强体积下的最好凸台尺寸,例如当凸台体积是圆孔(缺掉)体积的2~4倍 [1] (工程经常使用补强体积标准)时,使构造应力最小的凸台宽厚比为2倍阁下。别的,若补强体积较大年夜,此时凸台最优宽厚比会有所变更,如补强10倍体积时,最好宽厚比为1.2。

3.2. 一阶凸台尺寸的疲惫分析

静力分析类似,分别在不合固定体积比的情况下改变加强凸台的尺寸,设定疲惫载荷应力比r = 0,峰值与静载大年夜小雷同,应用基于ANSYS二次开辟的毁伤模仿法式榜样取得一阶凸台的疲惫寿命,成果如图5所示。

Figure 5. Curve of the boss width-life (fixed reinforcement volume)

图5. 加强凸台宽度—寿命曲线(固定补强体积)

与静力分析相对应,将最优取值点连接并停止拟合分析,寻觅最好的抗疲惫设计尺寸,可以发明拟分解果是一条直线且方程为:

a / r = 0.100 v / V + 0.500 (4)

比较式(3)和式(4)可知,在补强体积比为2~4的情况下,疲惫分析的成果与静力分析是根本分歧的,综上所述,在停止加强凸台尺寸设计时,可以根据上述的线性拟合公式停止设计计算。

4. 二阶加强凸台的优化

二阶凸台参数

在情势上,可以认为二级凸台是在一阶凸台的基本上设计的,在雷同体积比下二阶凸台可以假定为将一阶凸台右上角遭受应力较小的部分补回凸台右下部而构成的,如图6所示。

Figure 6. Comparison of primary and secondary bosses (equal volume)

图6. 一级凸台和二级凸台比较图(等体积)

在二阶凸台中,一级凸台宽为t1,高为h1,二级凸台宽为t2,个中推敲到凸台的重要功能,一级凸台多为装配台阶,其尺寸应根据装配需求详细设计,所以说设计关键重要在于第二级。经过过程设计不合的比例参数y,可以取得不合尺寸的二级凸台,而其最大年夜应力的变更成果如图7所示。

Figure 7. Maximum stress curve for different size secondary bosses (equal volume)

图7. 不合尺寸二级凸台的最大年夜应力曲线(等体积)

图7中三条线分别为1、2、4倍的补强体积情况下的最大年夜应力,可以看出,随着一级凸台尺寸赓续增大年夜,凸台的最大年夜应力有所增长。早年面的评论辩论可知,在补强体积不大年夜时,宽高比在1~2范围内时,凸台宽度加大年夜对应力的增添感化大年夜于凸台高度加大年夜的感化。除非推敲装配须要,普通不要将一级凸台尺寸设计得过大年夜便可。

5. 结论

本文基于毁伤力学办法对飞机壁板上的加强凸台停止了尺寸分析,基于静强度和疲惫寿命建立了凸台设计的优化准绳,提出了不合情况下凸台的详细优化尺寸,并对多级凸台的设计停止了商量,为工程应用供给参考,详细结论有以下几点:

1) 在孔边加强凸台构造中,凸台有明显的降低构造应力的感化,也有明显地改良构造力学特点的后果,别的为防止过大年夜的应力集中,加强凸台的过渡圆角半径设计应以rc > 0.3 h标准设计;

2) 在等重量情况下,凸台构造疲惫寿命与凸台宽厚比之间的关系出现必定的规律,在构造设计中寻觅最好宽厚比尤显重要,关于本文研究的圆形加强凸台构造,当补强体积为2~4倍时,最好宽厚比约为2,此时取得构造最优疲惫特点;

3) 二阶凸台的外形轮廓尺寸可以参照对应体积的一阶凸台最优尺寸的选择,在保持同体积条件下,二阶凸台的阶梯尺寸对最大年夜应力的影响不大年夜;

4) 装配用台阶应起首根据装配需求设计,照应的圆角设计也应起首满足装配请求,在此基本上再停止优化设计。

文章援用:
刘伟, 张铮, 凌云霞, 伊荣, 徐阿玲. 加强凸台的构造参数优化设计[J]. 力学研究, 2019, 8(1): 25-31. https://doi.org/10.12677/IJM.2019.81003

参考文献

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[2] 周松官. 单侧机加凸台与加强板对开孔金属板剪切稳定性影响比较分析[J]. 江苏科技信息, 2014(13): 20-21.
[3] 郑参谋, 黄其青, 殷之平, 谢伟. 孔边凸台构造的毁伤容限优化设计[J]. 迷信技巧与工程, 2009, 9(11): 2870-2876.
[4] 杜玉梅, 黄其青, 殷之平, 闫崇年, 尹建军, 晏明生. 单双边孔边凸台构造毁伤容限设计比较分析[J]. 迷信技巧与工程, 2010, 10(13): 3178-3181.
[5] Hirota,K. and Michitsuji, K. (2015) Deformation Behavior in Boss Forming with Small Punch/Die Diameter Ratio. Journal of Materials Processing Technology, 216, 294-301.
https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2014.09.012
[6] 杨钰, 袁慎芳. 机翼毁伤评价无限元分析的建模过程[J]. 中国水运(下半月), 2014, 14(12): 133-134.