飛機(jī)帶孔蒙皮局部優(yōu)化設(shè)計(jì)

--------飛機(jī)帶孔蒙皮局部應(yīng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)對于工程實(shí)際問題格外重要。一、帶中心孔平板應(yīng)力集中優(yōu)化設(shè)計(jì)模型參數(shù)2m對于工程實(shí)際問題格外重要。一、帶中心孔平板應(yīng)力集中優(yōu)化設(shè)計(jì)模型參數(shù)2m×２m,t=0.5m；＝7．2×1０0Ｎ/2,μ=0３2；邊界條件：薄板底邊沿載荷方向的位移為０，薄板頂邊受到均布載荷q=1000N/m2。薄板圓孔應(yīng)力集中探究２．1無限大板圓孔應(yīng)力集中的彈性力學(xué)理論可 以 知 道 沿圓孔邊,在孔頂部和底部，即?=R沿圓孔邊,在孔頂部和底部，即?=R?=±90°，有最大應(yīng)力,即應(yīng)力Ａnsｙs模型計(jì)算圖錯(cuò)誤!不能識別的開關(guān)參數(shù)。建模和網(wǎng)格劃分以ｒ＝0.１ｍ為例說明計(jì)算結(jié)果:圖錯(cuò)誤!不能識別的開關(guān)參數(shù)。 r=0.1m的應(yīng)力云圖anｓys計(jì)算得到的結(jié)果如下：r／ｍ0.５0.40.３0.20．10.０5最大應(yīng)力53193２9822852應(yīng)力集中系數(shù)5.０1２4．0743．52１3.1932.９822.852作出應(yīng)力集中系數(shù)隨半徑變化的圖線如下:可見,應(yīng)力集中系數(shù)隨著半徑的減小而漸漸減小,當(dāng)半徑r<０．1m時(shí)，應(yīng)力集中系數(shù)<3。當(dāng)r=０.1m,根本可以模擬無限大板的抱負(fù)狀況了。2.2彈性力學(xué)理論驗(yàn)證依據(jù)彈性力學(xué)理論可知,無限大板中心孔最大應(yīng)力集中系數(shù)為3,與孔徑無關(guān)。下面通過連續(xù)減小孔徑來驗(yàn)證這個(gè)結(jié)論：半徑ｒ/m0.040．03０.02０.０1０.0080.００6最大應(yīng)力2９4129３7293３29３22９３12９30應(yīng)力集中系數(shù)2.94１２.９372.93３2.93２2.93１２.930作出應(yīng)力集中系數(shù)隨半徑變化的圖線如下：可見,當(dāng)半徑足夠小時(shí),應(yīng)力集中系數(shù)隨著半徑的變化根本不變,大約是2．93，與理論值有肯定的誤差,這可能是計(jì)算軟件不夠準(zhǔn)確造成。在無視軟件計(jì)算誤差的狀況下，可以認(rèn)為驗(yàn)證了彈性力學(xué)的結(jié)論。平板圓孔應(yīng)力集中優(yōu)化探究模型參數(shù)2m×２ｍ，厚度t＝2m;中心孔孔徑r=0.1m;E=7２×1010Ｎ/2=．3２；邊界條件：薄板底邊沿載荷方向的位移為0，薄板頂邊受到均布載荷ｑ=1００N／m2。模型未優(yōu)化前的應(yīng)力云圖如上文圖1所示。3．２單孔優(yōu)化問題小孔的位置和大小是影響優(yōu)化效果的關(guān)鍵因素在耦合。下面對角度、孔徑、孔心距三個(gè)因素分開爭論。角度影響 〔此時(shí)小孔孔徑r=0．05m，與中心孔孔心距為0.5m)以角度120°時(shí)的計(jì)算結(jié)果說明過程:圖錯(cuò)誤未定義書簽。120°時(shí)的優(yōu)化應(yīng)力云圖Ａｎsys計(jì)算結(jié)果列表如下：r/m90°105°１２0°13５°150°1６5°１80°最大應(yīng)力2945296933０75300９應(yīng)力集中系數(shù)2.9452.9693．0453.１723.2133.０7５3．００9作出應(yīng)力集中系數(shù)隨角度變化的圖線：可見，當(dāng)角度為9０°時(shí),應(yīng)力集中最小，即優(yōu)化效果最好。角度上?？组g距的影響 (此時(shí)小孔在９０°位置,孔徑為０.05m)以孔間距０．25為例說明計(jì)算過程:圖錯(cuò)誤不能識別的開關(guān)參數(shù)。0.2５優(yōu)化時(shí)的應(yīng)力云圖Anｓys計(jì)算結(jié)果列表如下:孔間距/m0.５0.450．40.３5０.３0.250.2最大應(yīng)力29452917２9１42９０6290１２88８29０5應(yīng)力集中系數(shù)2.9４5２.９１7２．9142.9０62.9012.8882.905作出應(yīng)力集中系數(shù)隨孔間距的變化圖線如下:可見,0．２5ｍ時(shí),應(yīng)力集中最小，即優(yōu)化效果最好。但由于此處數(shù)據(jù)間隔取得大,結(jié)果不準(zhǔn)確，需要進(jìn)一步細(xì)化步長,找出相對準(zhǔn)確度的結(jié)果。下面在孔間距為０.25四周細(xì)化步長，計(jì)算結(jié)果列表如下:孔0.240.２０.250０.250.255０．2570．260.26０.2６0．20.2間５473０3４６5６距６／m最288289２88289２2888２8９8289７２2８928728大92８893４5９5應(yīng)力應(yīng)２.82.８２．８2.８2．888２.８9２．８2.89２．８２. 2.8力８９28892８9７39４８ 9５集９７5中系數(shù)作出應(yīng)力集中系數(shù)隨孔間距的變化圖線如下:可見，經(jīng)過細(xì)化步長,得出較為準(zhǔn)確的結(jié)論,當(dāng)孔間距為0.２6５m時(shí),單孔優(yōu)化效果最好?？讖降挠绊憽?0°，孔間距為０．265ｍ)0．09m為例說明計(jì)算結(jié)果：Anｓys計(jì)算結(jié)果列表如下：r／m０.１０.0９0.0８0.0７0.06０．０５0．040.03０.０2最大應(yīng)力2681278472875291629442９57應(yīng)力集中2．68１2.7072．764２.80７２.84728７52．9１６2．944２．957系數(shù)作出應(yīng)力集中系數(shù)隨孔徑的變化圖線如下:可見，當(dāng)孔徑為0.1ｍ時(shí)，應(yīng)力集中最小,即優(yōu)化效果最好。但由于此處數(shù)據(jù)間隔取得大,結(jié)果不準(zhǔn)確,需要進(jìn)一步細(xì)化步長,找出相對準(zhǔn)確度的結(jié)果。0．09～0．1之間細(xì)化步長,計(jì)算結(jié)果列表如下：孔徑ｒ/m0.10.０98０．0970.0960.0950.09最大應(yīng)力／N26812６712６682670２6７6２707應(yīng)力集中系數(shù)2.681２.６7２．6682．67０2.６762.707１作出應(yīng)力集中系數(shù)隨孔徑的變化圖線如下：0.０97m時(shí),中心孔處應(yīng)力集中最小，優(yōu)化效果最好。但是考慮到孔徑和孔間距可能存在耦合，需進(jìn)一步驗(yàn)證。以孔間距０.2５m為例,來進(jìn)一步論證。計(jì)算結(jié)果列表如下〔此處只列出細(xì)化后的結(jié)果):r／ｍ0.10.０９80.097０.0960．0950.09最大應(yīng)力2669２６６226５７266３26６82702應(yīng)力集中系數(shù)2.6６92.6６22．６57２.６632.66８2.7０2作出應(yīng)力集中系數(shù)隨孔徑的變化圖線如下：可見,轉(zhuǎn)變孔間距,0.０97m時(shí)，中心孔處應(yīng)力集中最小,優(yōu)化效果最好。單孔優(yōu)化結(jié)論〔帶中心孔的薄板)進(jìn)展應(yīng)力集中優(yōu)化時(shí),和中心孔孔心連線平行于載荷方向，距離中心孔0..２65m處,孔徑為０.09７m。3.３雙對稱孔優(yōu)化問題由于構(gòu)造的對稱性，考慮打孔優(yōu)化時(shí)，也用對稱構(gòu)造做成雙孔(孔的位置和外形均對稱)。同樣的,在雙孔優(yōu)化的問題中，小孔的位置和大小也是影響優(yōu)化效果的關(guān)鍵因素,并且小孔的孔徑和與大孔孔心的距離之間存在耦合。下面對角度、孔徑、孔心距三個(gè)因素分開爭論。角度因素(0.085m0.25m)4５°為例說明計(jì)算結(jié)果:圖錯(cuò)誤未定義書簽。４5°應(yīng)力云圖系數(shù)Ansys計(jì)算結(jié)果列表如下：系數(shù)雙孔角度90°105°120°135°150°165°180°最大應(yīng)力25應(yīng)力集中2．５033.16５3.6１45１６４.5164９654．9６54５704.5703９163.9１6作出應(yīng)力集中系數(shù)隨角度的變化曲線:可見,當(dāng)角度為９0°時(shí)，應(yīng)力集中最小,即優(yōu)化效果最好。得出結(jié)論:假設(shè)用打?qū)ΨQ雙孔的方法來優(yōu)化時(shí)，應(yīng)將雙孔打在和大孔軸心連線與載荷平行的角度上。孔徑的影響(90°,0.25m)以孔徑r=0.０8m為例說明計(jì)算結(jié)果:圖4 雙孔孔徑r=０．08m的應(yīng)力云圖Ansｙs計(jì)算結(jié)果列表如下:雙孔孔徑0.10.０90.０8０.07０.0６最大應(yīng)力應(yīng)力集中２６２.６０52．5532.532６５82．65827６6２.788系數(shù)作出應(yīng)力集中系數(shù)隨孔徑變化的曲線：可見,0.08m時(shí),優(yōu)化效果最好?？梢钥闯鲎詈每讖綉?yīng)在０.0８~0．0９m之間。下面細(xì)化步長求出較準(zhǔn)確的孔徑。Aｎsys計(jì)算結(jié)果列表如下:雙孔半徑0.080.08１0．00.0830.0840.0８0.08７0．09最大應(yīng)力2５３2497８22488249５25２553２應(yīng)力集中系數(shù) 2．532 2.４97 2.4８8

2.490 04

2．503 ２．525 2.５5３作出應(yīng)力集中系數(shù)隨孔徑變化的曲線:0.08２m時(shí)，優(yōu)化效果最好?？组g距因素〔此時(shí)小孔９0°位置,孔徑０.０８２ｍ)0.20為例說明計(jì)算結(jié)果:圖錯(cuò)誤未定義書簽。0．20ｍ時(shí)的應(yīng)力云圖Ansｙs計(jì)算結(jié)果列表如下:孔間0．50.40.30.２0.１０.190.１０.190.190.1900.1８５距9９８97６５最大2８126952５2486２２４２248２2504２529應(yīng)力１６44879０486３490應(yīng)力2.82．6952.５2．42．42.４2.42.４2.490２.504２．529集中１14６８6８７90８83系數(shù)６作出應(yīng)力集中系數(shù)隨孔間距變化的圖線:可見,0.196m時(shí),應(yīng)力集中系數(shù)最小,優(yōu)化效果最好。由單孔優(yōu)化的結(jié)論可見,孔徑和孔間距不存在耦合。不需再變化孔徑進(jìn)展驗(yàn)證了。雙孔優(yōu)化結(jié)論對于本例模型(帶中心孔的薄板〕進(jìn)展應(yīng)力集中優(yōu)化時(shí)，假設(shè)打?qū)ΨQ雙孔,孔的位置應(yīng)當(dāng)是：和中心孔孔心連線平行于載荷方向，距離中心孔0.19６ｍ處，孔徑為０.08２m。

０.３2;1.模型參數(shù)1.模型參數(shù)R,厚度為t=0.5m;材料：硬鋁，彈性模量E=7.2×１０10N/m2，泊松YF=１０00N。在正方形板的底邊上,作出一個(gè)半圓孔，其他條件不變的條件下,隨半圓孔孔徑減小化,板上的應(yīng)力分布狀況漸漸趨于均勻，只在半圓孔四周趨于有明顯的變化。0.5m減小到０.2m時(shí),應(yīng)力分布狀況均勻，只在R=０.2ｍ。減重和應(yīng)力集中的共同優(yōu)化問題優(yōu)化分析在飛機(jī)構(gòu)造的設(shè)計(jì)上，最主要的問題有飛機(jī)的強(qiáng)度問題和飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性問題。對于模型所示的正方形蒙皮薄板,左右邊上的材料對于構(gòu)造的強(qiáng)度上起到的作用很小,假設(shè)把左右邊上的材料切掉,構(gòu)造的強(qiáng)度雖然被減弱，但構(gòu)造的重量將大大減輕,符合飛機(jī)構(gòu)造設(shè)計(jì)的要求。下面來爭論減重和應(yīng)力集中共同優(yōu)化的問題，在這里，我們認(rèn)為減重問題和。并且只轉(zhuǎn)變梯形頂邊長度。優(yōu)化過程最大應(yīng)力為１566N。1．２m為例說明計(jì)算結(jié)果：圖錯(cuò)誤不能識別的開關(guān)參數(shù)。1.2ｍ時(shí)應(yīng)力分布云圖Ansys計(jì)算結(jié)果列表如下：減重狀況減重后面積減重后最大應(yīng)減重百分比應(yīng)力集中增加百分比減重/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(減重/增力〕隨梯形頂邊長變化的圖線：------:1.4m時(shí)，減重和應(yīng)力集中的共同優(yōu)化效果最好。--優(yōu)化結(jié)論當(dāng)梯形頂邊長度為1.4ｍ時(shí)，減重和應(yīng)力集中的共同優(yōu)化效果最好。三長圓孔問題模型參數(shù)2m×2m,t=0．5m；材料為硬鋁，彈性模量Ｅ=．2×10１0Ｎ/m2０.32;,0；薄板頂邊q1=10０0N/m2，右邊收到均布載荷ｑ2=５00N/m２。優(yōu)化問題長圓孔在本模型中，掌握的變量是薄板中心的長圓孔的尺寸，即長和半圓的半徑之比,半徑。選擇適宜的比例,使得長圓孔周邊應(yīng)力分布均勻。以長=0．2m，長/半徑=2為例說明計(jì)算結(jié)果：--------圖6 長0.２半徑0．1的長圓孔平板應(yīng)力云圖下面將ａｎｓys計(jì)算結(jié)果展現(xiàn)如下：通過比較各尺寸下的長圓孔的應(yīng)力分布云圖，來確定應(yīng)力分布均