[发明专利]一种基于等效方法的PRSEUS结构分析方法

说明书

技术领域：

本发明涉及航空系统技术领域，具体涉及等效方法和结构分析，是一种基于等效方法的PRSEUS结构分析方法。

背景技术：

翼身融合飞机(BWB-blended wing body)是一种新型布局的客机，具有更轻的重量、更高的升阻比、更小的燃油消耗，更高的安全性和更好的舒适性等优势。但其非圆形机身在客舱增压载荷和外载荷作用下承受很大的弯曲应力，其增压载荷是通过平板弯曲应力抵消，而不是像B787、A380等的圆形或者椭圆形机身一样承受拉伸膜应力，更容易产生较大的弯曲变形。

对此，波音提出了一种先进的挤压杆、缝合、一体化(PRSEUS)复合材料结构。其长桁顶端包裹碳纤维杆进行加强，隔框由复合材料包裹泡沫夹芯，通过将框架和桁条缝合到飞机蒙皮上构成一体化复合材料结构。

PRSEUS组合结构运用复合材料，以提高整个结构的力学性能。与金属材料相比，复合材料具有可设计性，其性能与铺层方向、铺层顺序和铺层比例密切相关，这就带来大量的设计变量。此外，建PRSEUS组合结构模型比较复杂，并且运用到BWB飞机的结构上，必然带来结构有限元建模时间长，过程繁杂，给结构设计带来巨大挑战。因此，采用等效方法简化有限元模型成为解决此类问题的一种有效途径。

等效方法首先将机翼等效为一系列的平板，然后结合Ritz方法，来研究机翼的性能。1986年，美国NASA兰利研究中心Giles将经典板理论和Ritz方法相结合，应用于机翼结构设计和重量计算，并且编写了等效层压板分析程序(ELAPS)，用于机翼的结构和气动弹性设计。随后，华盛顿大学的Livne以HSCT为研究对象，将一阶剪切变形板理论引入等效板方法中，很好地改进了计算精度。1999年，Livne进一步地结合非线性板理论和简单多项式的Ritz方法，来分析机翼结构特性，结构显示此方法可以很好进行非线性结构静力分析。由于等效板方法中，几何模型、刚度、重量和载荷等都可以用微分方程表达出来，因此，位移、应力、固有频率和结构重量对机翼平面形状和厚度的敏感性分析很容易实现，而且能够分析金属和复合材料的应用，考虑非结构重量的影响，是一种可信度高的重量分析模型。

然而，PRSEUS组合结构中隔框的间距比较大，通常在20in以上，不适用于等效方法，如何将PRSEUS组合结构转化为能够使用等效方法分析的模型有待提出和完善。

发明内容：

本发明的是一种基于等效方法的PRSEUS结构分析方法，该方法是一种既能保证足够的计算精度，又能实现快速建模的等效有限元模型的方法。

本发明的技术方案为采用了一种基于等效方法的PRSEUS结构分析方法，在计算结构的刚度时，采用线性叠加的方法，将加筋板的刚度视为蒙皮的刚度和加筋条的刚度的叠加；通过将PRSEUS结构中的筋条分解成若干个板条元；然后分别计算蒙皮和各板条元的刚度系数，进行刚度系数平移计算，叠加成等效刚度矩阵；最后将等效刚度矩阵赋值到等效板的属性参数上。

该方法具体包括以下几个步骤：

步骤一：将桁条分解为若干条板元压层板，分别计算蒙皮和桁条各板条元层压板的拉压刚度系数和弯曲刚度系数；

步骤二：计算所述整个PRSEUS结构的等效中面位置，并将所述蒙皮和所述板条元层压板的弯曲刚度向中性轴进行移轴处理；

步骤三：分别计算移轴处理后所述蒙皮和离散的板条元层压板的刚度矩阵后，通过线性叠加得到PRSEUS结构的等效刚度矩阵；

步骤四：所述PRSEUS结构的拉压强度等效，计算等效厚度和等效弹性模量；

步骤五：剪切强度等效，计算其等效剪切模量；

步骤六：在材料和单元属性中定义PRSEUS等效结构，将组装等效刚度ABD矩阵中A矩阵中的系数赋予薄膜材料和剪切材料，将所述B矩阵中的系数赋予耦合材料，将所述D矩阵中的系数赋予弯曲材料，等效厚度t_eq定义为Shell单元的厚度，然后将所述材料赋予有限元模型中等效板的属性。

所述步骤二中用等效中面替代实际曲面的中性面。

所述拉压强度等效包括厚度等效模量和弹性等效模量。

所述等效刚度矩阵ABD具体为：所述各板条元层压板和蒙皮的面内刚度矩阵、耦合刚度矩阵和弯曲刚度矩阵的线性叠加；其中，

其中，A_ij(i，j＝1,2,6)称层压板的“面内刚度系数”；

B_ij(i，j＝1,2,6)称层压板的“耦合刚度系数”；