機(jī)翼梁結(jié)構(gòu)中加筋對(duì)梁腹板屈曲的影響分析

董榮娟

（中航通飛研究院有限公司，廣東 珠海 519000）

機(jī)翼梁結(jié)構(gòu)中加筋對(duì)梁腹板屈曲的影響分析

董榮娟

（中航通飛研究院有限公司，廣東 珠海 519000）

機(jī)翼梁加筋腹板主要承受剪力，屈曲是其重要的失效模式，臨界屈曲載荷是其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重要表征。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中合理增加筋條來(lái)減小腹板的尺寸，既可以提高腹板的臨界屈曲載荷，也可以適當(dāng)減輕結(jié)構(gòu)重量。文章通過(guò)數(shù)值計(jì)算（有限元非線(xiàn)性分析）結(jié)果來(lái)說(shuō)明合理設(shè)置加強(qiáng)筋止裂筋對(duì)提高梁腹板臨界屈曲載荷的貢獻(xiàn)。

梁腹板；屈曲；筋條；數(shù)值計(jì)算； 臨界屈曲載荷

1　引言

機(jī)翼梁是飛機(jī)的一個(gè)重要部件，是最主要的受力構(gòu)件之一，由緣條和腹板組成，主要承受彎矩和剪力，梁緣條承受由于彎矩引起的軸力，剪力則由梁腹板承受。對(duì)機(jī)翼梁腹板而言，屈曲是其重要的失效模式，梁腹板一旦進(jìn)入屈曲狀態(tài)，其后續(xù)承載能力急劇下降，因此在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，將臨界屈曲載荷作為其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的重要表征。在機(jī)翼設(shè)計(jì)中，一般應(yīng)用半張力場(chǎng)梁和抗剪梁［1］。在剪切腹板中，只能通過(guò)以下措施增加腹板的許用應(yīng)力：（1）增加腹板厚度；（2）通過(guò)增加止裂筋減小面板的尺寸［2］。增加腹板厚度要付出較大重量上的代價(jià)，因而在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中合理增加筋條來(lái)減小腹板的尺寸，既可以提高腹板的臨界屈曲載荷，也可以適當(dāng)減輕結(jié)構(gòu)重量。本文通過(guò)數(shù)值計(jì)算（有限元非線(xiàn)性分析）的結(jié)果來(lái)說(shuō)明止裂筋對(duì)提高梁腹板臨界屈曲載荷的貢獻(xiàn)。選擇典型的整體加筋梁腹板結(jié)構(gòu)，通過(guò)修改加筋尺寸，進(jìn)行加筋對(duì)梁腹板臨界屈曲剪應(yīng)力影響的分析。選取5種尺寸典型結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)如圖1所示，a=530mm，b=170mm，e=2mm，t=4mm；模型1的h=0mm，模型2的h=15mm，模型3的h=20mm，模型4的h=25mm，模型5的h=30mm，材料參數(shù)如表1所示。

2　數(shù)值計(jì)算［3］

2.1有限元模型單元和邊界條件

計(jì)算采用Patran /Nastran 有限元計(jì)算軟件。為了更好地反映屈曲時(shí)加筋腹板的變形，采用比較細(xì)的網(wǎng)格，單元尺寸為：1 mm×1 mm。單元屬性為shell 單元。

為了更好的模擬剪支梁腹板的承載和約束，模型四邊采用剪支約束，通過(guò)對(duì)四邊單元施加分布力的方式施加載荷，梁腹板剪應(yīng)力為τ=35MPa。

圖1　加筋梁腹板結(jié)構(gòu)

表1　材料參數(shù)

2.2計(jì)算及結(jié)果

計(jì)算采用線(xiàn)性屈曲計(jì)算（Buckling），運(yùn)算器為：NASTRAN/ MSC SOL105，得到五個(gè)剪切梁的剪切屈曲特征值γ。模型1至模型3的剪切屈曲云圖如圖2至圖4所示。梁腹板的臨界屈曲剪應(yīng)力τcr=γ×τ，各加筋梁腹板的剪切屈曲特征值γ和臨界屈曲剪應(yīng)力τcr如表2所示。

表2　各加筋梁腹板的剪切屈曲值

圖2　模型1剪切屈曲計(jì)算云圖

圖3　模型2剪切屈曲計(jì)算云圖

圖4　模型3剪切屈曲計(jì)算云圖

3　理論計(jì)算

3.1理論計(jì)算

四邊剪支的梁腹板臨界屈曲剪應(yīng)力由下列公式計(jì)算得到：

4　分析和結(jié)論

梁腹板無(wú)加筋時(shí)，γ=1.5373，理論計(jì)算值τcr=53.59MPa，有限元計(jì)算值τcr=53.81MPa，有限元計(jì)算結(jié)果與解析解基本一致，說(shuō)明本文中模型簡(jiǎn)化、載荷施加和邊界條件簡(jiǎn)化是合理的。

當(dāng)加筋高度為15mm時(shí)，γ=1.5373，與無(wú)加筋時(shí)相同，剪切波跨過(guò)了加筋，說(shuō)明加筋尺寸過(guò)小時(shí)，無(wú)法起到隔波和提高腹板臨界屈曲載荷的作用。當(dāng)加筋高度為20mm時(shí)，γ為1.8581，剪切波被加筋隔開(kāi)，起到了隔波作用；梁腹板中有一條加筋時(shí)，單塊板的尺寸為265mm×170mm，理論計(jì)算值τcr=64.51MPa，加筋高度為20mm、25mm時(shí)，有限元計(jì)算值τcr分別為65.03MPa、65.16MPa，與理論計(jì)算值相近，說(shuō)明當(dāng)加筋高度為20mm時(shí)，加筋對(duì)梁腹板起到了剪支作用，提高了梁腹板的臨界屈曲載荷，繼續(xù)增加筋條尺寸，梁腹板的臨界屈曲剪應(yīng)力只有少許增加；當(dāng)加筋高度為25mm、30mm時(shí)，γ均為1.8616，τcr均為65.16MPa，說(shuō)明當(dāng)加筋達(dá)到一定尺寸后，繼續(xù)增加筋條尺寸，梁腹板的τcr不再增加。

由本文的計(jì)算分析可知，當(dāng)加筋尺寸過(guò)小時(shí)，起不到隔波和提高梁腹板臨界屈曲載荷的作用；加筋尺寸過(guò)大時(shí)，雖起到了隔波和提高梁腹板臨界屈曲載荷的作用，但增加了總重量。所以在設(shè)計(jì)機(jī)翼梁腹板時(shí)，要合理選擇加筋尺寸，既要達(dá)到提高腹板的臨界屈曲載荷的作用，也不可無(wú)故增加結(jié)構(gòu)重量。

［1］ 飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)總編委會(huì).飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第10冊(cè)－結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.北京:航空工業(yè)出版社，2001.

［2］ 牛春勻.實(shí)用飛機(jī)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析及尺寸設(shè)計(jì)［M］.北京:航空工業(yè)出版社，2009.

［3］ 黃聰，劉兵山.Patran從入門(mén)到精通［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2003.

Spar structure reinforced in fluence on beam web buckling analysis

Reinforced main spar web withstand shear buckling failure modes is important， the critical buckling load is important to characterize its structural strength. Ribs reasonable increase in aircraft structure design to reduce the size of the web， the web can enhance the critical buckling load can also be appropriate to reduce the structural weight. In this paper， the calculation （non-linear finite element analysis） to justify the results of numerical set stop ribs cracked rib to improve the critical buckling load beam web contribution.

Beam web； buckling； ribs； numerical calculation； critical buckling load

V22

A

1008-1151（2016）04-0057-02

2016-03-05

董榮娟（1982－），女，山東泰安人，中航通飛研究院有限公司工程師，研究方向?yàn)轱w機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。