北航最新-飞行器设计-课程设计报告

飞机带孔蒙皮局部应力优化报告

专业：飞行器设计

学号：39051623

姓名：黄星

指导老师：张铮

2012年9月25日

一、设计课程题目

飞机带孔蒙皮局部应力优化设计

二、研究对象

飞机带孔蒙皮

三、设计目的

综合运用有关基础理论、专业知识和实际经验，独立地解决专业范围内比较简单的具有典型性的设计任务，为毕业设计以及毕业后在专业工作解决更全面而复杂的技术问题打好基础。

四、研究内容

１、矩形板和孔的位置与形状：

设计说明：在一定载荷P下，构件宽度、孔径和空边应力集中系数的关系：

在载荷、板宽和孔径都不变的条件下，沿板构件的纵轴线再打一个孔，孔的位置和孔径大小对原孔孔边应力集中系数的影响；进一步，可以再打第二个孔、第三个孔…再进一步，孔可以不打在纵轴线上，如何设计孔的位置和孔径大小？

２、梯形板形状：

设计说明：当载荷不变，板构件形状改变时(如错误!未找到引用源。所示)，一个孔及多个孔在考虑上述应力集中条件下的设计，其中，板构件的宽端尺寸不变时，窄端尺寸与应力集中系数的关系？

３、双向载荷长圆孔：

设计说明：如板构件受到双向拉力，纵向载荷是横向载荷的2倍（这是机舱段机壳常规的受载情况），原圆孔改为长圆孔（即原圆孔沿横向直径隔开，加入一等宽矩形段，如错误!未找到引用源。所示，这是机窗的基本形式），如何设计孔径和矩形边长，实现长圆孔周边等周向（切向）应力（或基本等切向应力）？

五、实验环境

ANSYS13有限元分析软件，模拟真实条件的应力状态。

软件所设的各种参数：单元类型：QUAD8NODE183

单元设置：PLANE STRSＷ／ＴＨＫ

设定杨氏模量：E=2*105μ=0.3

板及孔的长度单位为mm应力单位为MPa

六、实验过程与结果

（一）矩形板构件：

１、模拟无限大平板

模型为１0０ｘ２００孔位于中心（0，0），初始孔径大小20

加载：底边约束Ｙ方向的约束，自由端加载-１的均布载荷

孔径大小为自变量，从20开始往下逐渐减小，仔细观察构件的应力分布图及读取孔边最大应力值

中心孔

2015108642

半径

应力集

3.75048 3.3884 3.16535 3.10875 3.0666 3.03664 3.02039中系数

因为半径小于6时，应力集中系数的变化率小于1%，故近似认为r 小于等于6时，孔径对圆孔应力的影响忽然不计，此时可把100*200

的平板看作是无限大的。而且r=6时，应力集中系数为3.0666，非常接近理论值，说明实验时的网格划的足够密，之后的模拟实验都是在此基础上进行的。

要想减小孔边应力集中系数，我们可以采取改变中心孔的应力场分布的方法。从单孔的应力云图可以看出，在孔边沿载荷方向应力会出现很大的降低，我们从中可以得到启发：在中心孔的附近打孔，而且我们能够预测，在竖直方向打孔的效果将会是最好的。下面是各种打孔情况的实验。

划分网格时，每一个孔边平均分为160份，矩形板长边平均分为40份，短边平均分为20份，既保证孔边

1附加孔在斜方向

2附加孔在水平方向

3附加孔在竖直方向

上面的实验很好的符合了我们预测，只有在竖直方向打孔才能很好的降低中心孔边的应力集中系数，

显然，由对称的思想可知，在中心孔竖直方向对称打孔可以更好的减小中心孔的应力集中系数，所以下面我们具体讨论附加孔对称分

布在竖直方向时，附加孔孔径及与中心孔孔心距对中心孔的应力集中系数的影响。

对称打孔应力云图

实验采用ANSYS的优化设计算法，设置两个参数附加孔半径R和孔心距Y，设置R的范围为（1-5.9），因为孔径太小时对中心孔应力集中系数的影响可以忽略，但是附加孔径大于6的话，由一个孔的模拟实验我们可以得出孔径越大，应力集中系数也越大的规律，此时附加孔的应力集中将比中心孔严重，不符合题目要求。

Y的范围为（7.5-36）Y太大时由圣维南原理可知附加孔对中心孔的影响也可不计。

Z为中心孔边与附加孔边的最小距离。

设置将每次实验的最大应力赋给变量PAR，PAR的收敛精度设置为0.005

采用一阶算法，循环次数设置为30。第一次优化结果如下：

第一次优化应力集中系数与孔心距及孔半径的关系图

第一次优化应力集中系数、孔心距及孔半径与循环系列号的关系图

第一次优化各参数数据

N123456789

Z619.044316.299115.789716.580314.56587.65 3.6436 3.6412 R3 4.6687 5.4359 5.5633 5.1487 4.7512 5.704 5.0264 4.9418 Y1529.71327.73527.35327.72925.31719.35414.6714.583 PAR 2.8897 2.8069 2.7604 2.7644 2.7575 2.737 2.635 2.5199 2.5428 N101112131415161718 Z 3.483 3.4338 3.5256 3.6836 3.3015 3.0957 2.1609 4.7889 4.534 R 4.936 4.9132 4.8814 4.8354 4.8105 4.7783 4.7391 5.0131 4.971 Y14.41914.34714.40714.51914.11213.87412.915.80215.505 PAR 2.5411 2.5487 2.552 2.556 2.5527 2.5802 2.5927 2.5408 2.5426 N1920212223242526

Z 4.3839 4.1421 3.4829 2.8906 2.339 2.5975 2.6292-1.5963

R 4.9441 4.9059 4.8771 5.0964 5.243 5.0845 5.0378 5.1528

Y15.32815.04814.3613.98713.58213.68213.6679.5565

PAR 2.5516 2.5604 2.5588 2.5035 2.5112 2.5059 2.5058 2.4067从上表可以看出，第26次循环的结果为最佳，但是发现此时中心孔已经被附加孔破坏，也不符合要求。增加一状态变量：中心孔边

与附加孔边的最小距离Z。设置Z的范围为（0.2-24），这样就能保

证附加孔不破坏中心孔了。进行第二次优化，优化数据如下：

第二次优化计算结果