[发明专利]一种板筋结构设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及机械领域，特别提供了一种板筋结构设计方法。

背景技术

板筋结构在现代飞机上有着广泛的应用，无论是机身的主承力加强框，还是翼面的大梁或者加强翼肋，均是比较典型的板筋结构，传统普通的板筋结构性能一般。

为了研究板筋结构的优化设计问题，本文首先采用基于敏度阈值的拓扑优化方法来确定结构的主传力路径，并将筋条布置在所求出的主传力路径上；然后，以板和杆单元来模拟板筋结构，并建立相应的有限元分析模型；最后，以板的厚度和筋条的剖面积为设计变量，进行满应力设计来获得最终的优化方案。多种算例的数值仿真结果显示：运用本文方法与传统的基于工程经验的方法相比，在结构等刚度的条件下，前者的设计方案能够减轻结构重量达到5％～20％；进一步的研究还发现：本文给出的板筋结构：筋条布置在主传力路径；与桁架结构：杆件布置在主传力路径；以及常规的板筋结构：筋条不完全布置在主传力路径；相比，各有其特点，同样在等结构刚度条件下，三者相比较，前者的结构重量最轻，中间的桁架结构的应力值最低，后者的应力值最高。因此，设计师可根据零件的受力特征来选择不同的结构形式。通常，航空飞行器属于薄壁结构，其刚度是很突出的问题，特别是现代飞行器更是如此，这说明本文提出的板筋结构设计方法非常适合用于飞机加强框、翼面主承力的纵横骨架等结构的轻量化设计。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足之处，特别提供一种板筋结构设计方法。

本发明提供了一种板筋结构设计方法，其特征在于：包含有如下步骤：

板筋拓扑优化步骤；

板筋尺寸优化步骤；

其中板筋拓扑优化步骤包含有如下步骤：

建立求解主传力路经的数学模型步骤；

结构分析步骤；

基于敏度阈值的优化步骤；

收敛判定步骤；

主传力路经确定步骤。

所述板筋结构设计方法，板筋尺寸优化步骤包含有如下步骤：

基于尺寸优化的有限元建模步骤；

结构分析步骤；

基于满应力的优化步骤；

收敛判定步骤；

最优尺寸确定步骤。

所述板筋结构设计方法，基于拓扑优化的有限元建模步骤所建数学模型如下：板筋结构是十分典型的薄壁结构，提高其面内刚度是非常有利的，由此可以提出这样的计算模型：在一定的材料用量条件下，寻找具有某种度量的最大刚度：这里指结构的最小柔顺性的筋条最佳走向与分布形式，所确定的筋条即是材料的最优分布，亦是结构的主传力路径。

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