[发明专利]一种金属球面框及其设计方法

权利要求书

1.一种金属球面框结构，包括球皮(1)、环向止裂带(2)、径向止裂带(4)及对接件(5)组成，各结均采用金属材料，其中，球皮(1)为球冠外形的壳体结构，在球皮(1)上布置若干环向止裂带(2)、径向止裂带(4)，对接件(5)为环框结构，球皮(1)与机身壁板通过对接件(5)对接。

2.根据权利要求1所述的一种飞机金属球面框结构的设计方法，其特征在于，采用规则球冠球皮加环框的方案，具体包括以下步骤：

1)球面框气密载荷由以下公式确定：

P＝101325(1-2.2558×10^-5×H_p)^5.2559

ΔP＝P_cabin-P_ceiling

P’＝2ΔP

此处，P为压强，H_p为飞行高度，ΔP为客舱压力差，P_cabin为机身内部压强，P_ceiling为飞行过程中机身外部压强，P’为设计时使用的气密载荷；

2)作用在环框对接件(5)上的挤压载荷由以下公式确定：

此处，为球面框球皮的子午圈角，子午圈角的定义为球皮与球面框框平面的夹角，R为球面框球皮的半径，R_c为飞机机身的半径；

3)作用在环框对接件(5)上的径向载荷由以下公式确定：

4)作用在环框对接件(5)上的轴向载荷由以下公式确定：

5)球面框球皮半径由以下公式确定：

6)球面框球皮高度由以下公式确定：

7)球面框球皮厚度由以下公式确定：

此处f_t是球皮的切向应力；是球皮的环向应力；作为金属球面框，在结构初步设计时取t是球面框球皮的厚度；

8)球面框球皮的面积由以下公式确定：

S＝2πRH

9)球面框球皮重量由以下公式确定：

10)球面框球皮子午圈角由以下公式确定：

此处，ρ为材料密度，球皮的子午圈角最佳角度为60°，子午圈角实际大小可以根据实际需求进行调整；

11)球面框球皮的极限裂纹长度由以下公式确定：

此处，a_c为金属球皮的极限裂纹长度，σ为球皮的应力，K_IC为球皮材料的残余刚度，这个值可以在材料手册MMPDS中查到；

12)球面框止裂带以及球皮分块位置由以下公式确定：

l≤2a_c

此处，l为球皮上止裂带与球皮分块处之间，球皮止裂带之间的最大距离；

13)球面框止裂带宽度以及球皮分块处搭接区域宽度由以下公式确定：

w≥(2d+1)+(2d+1)+4d＝8d+2

此处，d为止裂带以及球皮分块处搭接区域所选取的连接件直径；

14)球面框与机身对接环框对接件(5)腹板厚度由以下公式确定：

此处，t_p为环框对接件(5)腹板厚度，a为简化固支板的长度，b为简化固支板的宽度，n为长度与宽度的比值，E为材料弹性模量，σ_α为材料许用应力；

15)建立有限元模型，对环框对接件(5)进行结构优化，调整环框对接件(5) 腹板厚度和立筋的位置，保证球面框球皮应力处处相同；

根据球皮上开孔的位置和数量，决定是否在球皮上增加加强筋，以及加强筋的数量和位置。