CN111027245B - 一种直升机波形梁以及波形梁波纹段的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于飞行器基础应用领域，具体涉及一种直升机波形梁以及波形梁波纹段的设计方法。在复合材料波形梁结构的薄弱环节设计成结构两端与凸缘之间小圆弧过渡形式，并在围绕腹板一周少铺一层复合材料，可以保证结构的初始破损从端部开始；波形梁的波形段间隔处可设置平直段用于设备安装接口，并且波形段以三波为一组，保证良好的压溃性能，具有较高的材料比吸能能力。
Description
技术领域
本发明属于飞行器基础应用领域，具体涉及一种直升机波形梁以及波形梁 波纹段的设计方法。
背景技术
当直升机发生意外事故坠毁时，需要利用机身抗坠毁结构吸收坠撞能量和 降低坠撞冲击时的峰值载荷，从而达到挽救乘员生命的目的。
传统的直升机结构通过设计机身下构件金属结构进行坠撞冲击吸能设计， 或是采用简单采用复合材料结构构型设计达到吸能目的。但对于传统金属结构 抗坠撞冲击设计，设计结构普遍偏重，而由于复合材料为脆性材料，材料自身 的能量吸收能力相对比较弱，对于一般复合材料构型设计又难以实现较好的吸 能效果。
发明内容
本发明的目的：提供一种直升机波形梁以及波形梁波纹段的设计方法，本 发明的波形梁具有较好的吸能效果且降低坠撞峰值载荷，保护乘员安全。同时 腹板不易失稳破坏，梁结构刚度好，有结构重量轻，制造简单，成本低等特点。
本发明的技术方案：
第一方面，提供一种直升机波形梁，包括：上缘条板1、波纹腹板2、下缘 条板3以及填充丝4，其中，波纹腹板2的一端与上缘条板1连接，波纹腹板2 的另一端与下缘条板3连接，填充丝4设置在波纹腹板2与上缘条板1的连接 拐角处以及波纹腹板2与下缘条板3的连接拐角处，
上缘条板1、下缘条板3与腹板2之间的贴合面通过与上缘条板1和下缘 条板3的材料相同的材料布搭接并进热压炉共固化形成整体结构，
波纹腹板2包括波纹段和平直段。
可选地，填充丝4为聚苯乙烯泡沫塑料板材和碳丝。
第二方面，提供一种直升机波形梁波纹段的设计方法，其特征在于，包括：
根据直升机总体布置确定梁高度值L；
根据所述高度值L计算波形梁的高度波幅比和波长波幅比；
根据高度波幅比和波长波幅比确定波幅A和波长λ；
将波纹腹板圆角半径R的初始值设置为波幅A，根据梁高度值L、波幅A、 波长λ、圆角半径R的初始值建立波形梁结构实体模型，然后确定材料的属性， 利用材料属性对波形梁结构实体模型进行有限元仿真得到载荷－时间曲线、能 量-时间曲线；
根据载荷－时间曲线、能量-时间曲线，利用比吸能计算式计算出比吸能；
按照预定步长，对圆角半径R进行迭代求解比吸能值最大的R解；
根据所述梁高度值L、波幅A、波长λ和最大的R值确定波形梁结构。
可选地，根据所述高度值L计算波形梁的高度波幅比和波长波幅比，具体 包括：
将波形梁的波形简化为三角波；
根据惯量矩定义式，通过运算得到关系式(1)：
其中，f1为过程函数，δ为波纹梁厚度，A为三角波幅，λ为三角波波长；
根据公式(2)，
L/ρ＜20(2)，
得到公式(3)：
FL2＝f2(A,ω,δ)L2<400Ix (3)
其中，f2(A,ω,δ)为三角波波形面积，具体为公式(4)：
根据公式(1)至(4)得到高度波幅比和波长波幅比关联式：
其中，A为波振幅，λ为波长，F为压溃截面面积，δ为波纹梁厚度，
为波形梁的截面半径，L为波形梁高度值；
取高度波幅比取值范围的最小值作为高度波幅比，取波长波幅比的最大值 作为波长波幅比。
可选地，根据高度波幅比和波长波幅比确定波幅A和波长λ，具体包括：
根据高度L和高度波幅比计算波幅A；
根据波幅A和波长波幅比计算波长λ。
可选地，根据梁高度值L、波幅A、波长λ、圆角半径R的初始值建立波 形梁结构实体模型，具体包括：
根据梁高度值L、波幅A、波长λ、圆角半径R的初始值利用三维工程设 计软件建立波形梁结构实体模型。
可选地，所述预定步长为波幅的一半。
可选地，对圆角半径R进行迭代求解比吸能值最大的R解，具体包括：
按照预定步长，迭代出波纹腹板圆角半径R满足R∈[A0，3A0]的最大R 解。
本发明的有益效果：
该波形梁结构具备以下优点:
1、法向刚度好，利用这种波纹腹板形式能够以较薄的厚度，且不需要加筋 肋，就能够获得极大的平面外刚度和剪切屈曲强度，能有效的节省材料，并且 以波纹梁形式可在其上面安装其他***件，连接性较好，有利于在工程实际中 实际应用。
2、具有较高的比吸能能力的前提下提高平均压溃载荷与初始峰值载荷的比 值，降低对驾乘人员的冲击，且结构破坏后不会产生大的碎片影响到乘员生命 安全。
3、复合材料波形梁结构简单，具有重量轻，制造简单，成本低等特点
4、设计方法通过多轮迭代选取到优化的设计参数，提高了材料的比吸能能 力和降低峰值载荷实现较高的材料比吸能效果。
5、该类波形设计有利于增加稳定压溃过程，可稳定且更充分吸收大量能量， 是复合材料结构坠撞性设计的理想选择。
6、在重量有限的情况下，通过梁或框构型设计，有利于提高航空器垂向的 耐撞性。
附图说明
图1为根据本发明实施例的波形梁的结构图；
图2为根据本发明实施例的波形梁的沿着线A-A截取的截面图；
图3为根据本发明实施例的波形梁的沿着线B-B截取的截面图；
图4为根据本发明实施例的波形梁铺层结构图；
图5为根据本发明实施例的直升机波形梁波纹段的设计方法的流程图；
图6为材料临界应力σcr与杆件长细比L/ρ的关系曲线
其中，上缘条板1、波纹腹板2、下缘条板3，填充丝4。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性 劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的波形梁结构为层合板一体结构如图1，包括上缘条板1、波纹腹板 2、下缘条板3以及填充碳丝4。波纹腹板2设置在上缘条板1和下缘条板3之 间，腹板2与上缘条板1，腹板2与下缘条板3之间过渡拐角处填充有聚苯乙 烯泡沫塑料板材也可替换成碳丝，确保缘条板与腹板搭接内腔无气体填入，上 缘条板1、下缘条板3与腹板2之间的贴合面通过缘条板碳布搭接并进热压炉 共固化形成整体结构，上缘条板1、下缘条板3厚度为2mm，腹板2厚度为1.5mm。 缘条板1、下缘条板3与腹板2搭接量为25mm，如图4。通过各层厚度的设定，使得本发明在重量和强度效果更佳。
本发明的直升机波形梁，包括：上缘条板1、波纹腹板2、下缘条板3以及 填充丝4，其中，波纹腹板2的一端与上缘条板1连接，波纹腹板2的另一端 与下缘条板3连接，填充丝4设置在波纹腹板2与上缘条板1的连接拐角处以 及波纹腹板2与下缘条板3的连接拐角处，
上缘条板1、下缘条板3与腹板2之间的贴合面通过与上缘条板1和下缘 条板3的材料相同的材料布搭接并进热压炉共固化形成整体结构，
波纹腹板2包括波纹段和平直段。
可选地，填充丝4为聚苯乙烯泡沫塑料板材和碳丝，。
本发明的直升机波形梁波纹段的设计方法，包括：
根据直升机总体布置确定梁高度值L；
根据所述高度值L计算波形梁的高度波幅比和波长波幅比；
根据高度波幅比和波长波幅比确定波幅A和波长λ；
将波纹腹板圆角半径R的初始值设置为波幅A，根据梁高度值L、波幅A、 波长λ、圆角半径R的初始值建立波形梁结构实体模型，然后确定材料的属性， 利用材料属性对波形梁结构实体模型进行有限元仿真得到载荷－时间曲线、能 量-时间曲线；
根据载荷－时间曲线、能量-时间曲线，利用比吸能计算式计算出比吸能；
按照预定步长，对圆角半径R进行迭代求解比吸能值最大的R解；
根据所述梁高度值L、波幅A、波长λ和最大的R值确定波形梁结构。
可选地，根据所述高度值L计算波形梁的高度波幅比和波长波幅比，具体 包括：
将波形梁的波形简化为三角波；
根据惯量矩定义式，通过运算得到关系式(1)：
其中，f1为过程函数，δ为波纹梁厚度，A为三角波幅，λ为三角波波长；
根据公式(2)，
L/ρ＜20(2)，得到公式(3)：
其中根据等截面杆在中心轴向压缩载荷作用下的临界应力方程(欧拉公式) 曲线图(图6)，得到L/ρ压溃区判别条件，即公式(2)；
FL2＝f2(A,ω,δ)L2<400Ix (3)
其中，f2(A,ω,δ)为三角波波形面积，具体为公式(4)：
根据公式(1)至(4)得到高度波幅比和波长波幅比关联式：
其中，A为波振幅，λ为波长，F为压溃截面面积，δ为波纹梁厚度，
为波形梁的截面半径，L为波形梁高度值；
取高度波幅比取值范围的最小值作为高度波幅比，取波长波幅比的最大值 作为波长波幅比。
可选地，根据高度波幅比和波长波幅比确定波幅A和波长λ，具体包括：
根据高度L和高度波幅比计算波幅A；
根据波幅A和波长波幅比计算波长λ。
可选地，根据梁高度值L、波幅A、波长λ、圆角半径R的初始值建立波形 梁结构实体模型，具体包括：
根据梁高度值L、波幅A、波长λ、圆角半径R的初始值利用三维工程设计 软件建立波形梁结构实体模型。
可选地，所述预定步长为波幅的一半。
可选地，对圆角半径R进行迭代求解比吸能值最大的R解，具体包括：
按照预定步长，迭代出波纹腹板圆角半径R满足R∈[A0，3A0]的最大R 解。
发明关键点：
在复合材料波形梁结构的薄弱环节设计成结构两端与凸缘之间小圆弧过渡 形式，并在围绕腹板一周少铺一层复合材料，可以保证结构的初始破损从端部 开始；
波形梁的波形段间隔处可设置平直段用于设备安装接口，并且波形段以三 波为一组，保证良好的压溃性能，具有较高的材料比吸能能力；
通过所述设计方法得到设计参数关联式为：
并最终确 定3个关键设计参数，分别为梁高度L、波纹腹板单波长λ、波幅A；
通过ABAQUS/Explicit(商业软件)中的用户自定义材料子程序VUMAT实 现每层单向纤维增强复合材料的本构方程、损伤判定和刚度折减。按步长A/2 迭代出R∈[A，3A]范围内，使比吸能值最大的R解，作为确定的设计参数值， 根据设计参数设计波形梁结构。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，对本发明进行详细描述，未详尽部 分为常规技术。但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术 人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发 明的保护范围之内。本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种直升机波形梁，其特征在于，包括：上缘条板(1)、波纹腹板(2)、下缘条板(3)以及填充丝(4)，其中，波纹腹板(2)的一端与上缘条板(1)连接，波纹腹板(2)的另一端与下缘条板(3)连接，填充丝(4)设置在波纹腹板(2)与上缘条板(1)的连接拐角处以及波纹腹板(2)与下缘条板(3)的连接拐角处，
上缘条板(1)、下缘条板(3)与腹板(2)之间的贴合面通过与上缘条板(1)和下缘条板(3)的材料相同的材料布搭接并进热压炉共固化形成整体结构，
波纹腹板(2)包括波纹段和平直段。
2.根据权利要求1所述的波形梁，其特征在于，填充丝(4)为聚苯乙烯泡沫塑料板材和碳丝。
3.一种直升机波形梁波纹段的设计方法，其特征在于，包括：
根据直升机总体布置确定梁高度值L；
根据所述高度值L计算波形梁的高度波幅比和波长波幅比，具体为：
将波形梁的波形简化为三角波；
根据惯量矩定义式，通过运算得到关系式(1)：
其中，f1为过程函数，δ为波纹梁厚度，A为三角波幅，λ为三角波波长；
根据公式(2)，
L/ρ＜20 (2)，
得到公式(3)：
FL2＝f2(A,ω,δ)L2＜400Ix (3)
其中，f2(A,ω,δ)为三角波波形面积，具体为公式(4)：
根据公式(1)至(4)得到高度波幅比和波长波幅比关联式：
λ/A＞4，
其中，A为波振幅，λ为波长，F为压溃截面面积，δ为波纹梁厚度，
为波形梁的截面半径，L为波形梁高度值；
取高度波幅比取值范围的最小值作为高度波幅比，取波长波幅比的最大值作为波长波幅比；
根据高度波幅比和波长波幅比确定波幅A和波长λ；
将波纹腹板圆角半径R的初始值设置为波幅A，根据梁高度值L、波幅A、波长λ、圆角半径R的初始值建立波形梁结构实体模型，然后确定材料的属性，利用材料属性对波形梁结构实体模型进行有限元仿真得到载荷－时间曲线、能量-时间曲线；
根据载荷－时间曲线、能量-时间曲线，利用比吸能计算式计算出比吸能；
按照预定步长，对圆角半径R进行迭代求解比吸能值最大的R解；
根据所述梁高度值L、波幅A、波长λ和最大的R值确定波形梁结构。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据高度波幅比和波长波幅比确定波幅A和波长λ，具体包括：
根据高度L和高度波幅比计算波幅A；
根据波幅A和波长波幅比计算波长λ。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据梁高度值L、波幅A、波长λ、圆角半径R的初始值建立波形梁结构实体模型，具体包括：
根据梁高度值L、波幅A、波长λ、圆角半径R的初始值利用三维工程设计软件建立波形梁结构实体模型。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预定步长为波幅的一半。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对圆角半径R进行迭代求解比吸能值最大的R解，具体包括：
按照预定步长，迭代出波纹腹板圆角半径R满足R∈[A0，3A0]的最大R解。
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| 程群峰等.引发机制对复合材料波形梁吸能性能的影响及其破坏形貌分析.《复合材料学报》.2008,(第01期), * |
| 高速列车头车吸能排障器设计与仿真研究;丁晨等;《铁道车辆》;20110110(第01期);第5+7-10页 * |
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| CN111027245A (zh) | 2020-04-17 |
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