飞机带孔蒙皮局部优化设计.doc

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1、飞机带孔蒙皮局部应力优化设计在开有圆孔或切口的板条等受力弹性体受拉时，在圆孔或者切口附近，应力会急剧局部增大，但在离开圆孔边或者切口稍远处，应力迅速降低而趋于平均，这种现象就是应力集中，特别对脆性材料制成的零件，由于其没有屈服阶段，在外载荷增加时，圆孔或切口的应力集中处的最大应力一直领先，并首先达到强度极限而产生裂纹，进而引起其周围区域的应力集中导致结构失效。因此，对这类零件需探索有效的方法，以减缓应力集中，提高构建的承载能力和使用寿命，对于工程实际问题十分重要。一、带中心孔平板应力集中优化设计1.模型参数正方形薄板2m×2m，厚度t=0.5m；材料为硬铝，弹性模量E=7.2×101

2、0N/m2，泊松比μ=0.32；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=1000N/m2。2.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1.在平板宽度和圆孔直径的比值无限大时，在极坐标（ƿ，Ɵ）中，应用弹性力学理论可以知道：沿圆孔边，在孔顶部和底部，即ƿ=R和Ɵ=±90°，有最大应力，即应力集中系数为3。2.Ansys模型计算图1建模和网格划分以r=0.1m为例说明计算结果：图2r=0.1m的应力云图经过ansys计算得到的结果如下：半径r/m0.50.40.30.20.10.05最大应力501240743521319329822852应力集

3、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逐渐减小，当半径r<0.1m时，应力集中系数<3。当孔径r=0.1m，基本可以模拟无限大板的理想情况了。2.2弹性力学理论验证根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。下面通过继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

4、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基本不变，大约是2.93，与理论值有一定的误差，这可能是计算软件不够精确造成。在忽略软件计算误差的情况下，可以认为验证了弹性力学的结论。3.平板圆孔应力集中优化探究3.1模型参数正方形薄板2m×2m，厚度t=2m；中心孔孔径r=0.1m；材料为硬铝，弹性模量E=7.2×1010N/m2，泊松比μ=0.32；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=1000N/m2。模型未优化前的应力云图如上文图1所示。3.2单孔优化问题工程实际中，经常通过在薄板上再打一个辅助孔的方式来减小中心孔的应力集中。容易知道，小孔的

5、位置和大小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讨论。1.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3角度120°时的优化应力云图Ansys计算结果列表如下：半径r/m90°105°120°135°150°165°180°最大应力2945296930453172321330753009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。得出

6、结论：如果用打一个小孔的方法来优化时，应将小孔打在和大孔轴心连线与载荷平行的角度上。1.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4孔间距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，当孔间距为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，结果不精确，需要进一步

7、细化步长，找出相对精确度的结果。下面在孔间距为0.25周围细化步长，计算结果列表如下：孔间距/m0.2450.2470.2500.2530.2550.2570.2600.2630.2640.2650.266最大应力28892892288828922888289828972893289428752895应力集中系数2.8892.8922.8882.8922.8882.8982.8972.8932.8942.8752.895作出应力集中系数随孔间距的变化图线如