2020年北航最新飞行器设计课程设计报告

北航最新飞机设计课程设计报告带孔飞机蒙皮局部应力优化报告职业：飞机设计编号：39051623家庭名称：黄兴教官：张铮xx年9月25日一、设计课程主题带孔飞机蒙皮局部应力的优化设计二、研究对象蒙皮穿孔的飞机三。设计目标综合运用相关基础理论、专业知识和实践经验，独立解决专业范围内相对简单和典型的设计任务，为毕业设计打下良好基础，毕业后在专业工作中解决较为全面和复杂的技术问题。四.研究内容1.矩形板和孔的位置和形状：设计说明：在一定载荷p下，构件宽度、孔径与空白侧应力集中系数的关系：在载荷、板宽和孔径不变的情况下，沿板件的纵轴再钻一个孔。孔的位置和孔径大小对原始孔边应力集中系数的影响；此外，第二孔和第三孔可以被钻此外，该孔不能在纵轴上被钻。如何设计孔的位置和大小？2、梯形板形状：设计说明：当载荷保持不变且板构件的形状改变时(例如，错误！找不到参考源。如图所示)，考虑到上述应力集中条件的一个孔和多个孔的设计，其中当板构件的宽端尺寸不变时窄端尺寸和应力集中系数之间的关系？3、双向加载长方形孔：设计说明：如果板件受到双向拉伸，纵向载荷是横向载荷的2倍(这是发动机舱壳体的正常载荷条件)，原始圆孔变为长方形孔(即原始圆孔沿横向直径分开，增加一个等宽的矩形截面，如错误！找不到参考源。如图所示，这是机器窗口的基本形式)。如何设计孔径和矩形边长，以实现椭圆形孔周围的等周(切向)应力(或基本等切向应力)？V.实验环境ANSYS13有限元分析软件模拟真实条件下的应力状态。软件设置的各种参数：单元类型：quad8nod183单位设置：平面度(w/thk)设置杨氏模量：E=2*105 =0.3板和孔的长度单位为毫米应力单位为兆帕六.实验过程和结果(a)矩形板构件：1.模拟无限平板该模型是100x200孔位于中心(0，0)，初始孔径大小为20加载：底边约束y方向的约束，自由端均匀加载孔径大小-1为自变量，从20开始逐渐减小。仔细观察部件的应力分布图，并读取孔边缘的最大应力值。因为当半径小于6时，应力集中系数的变化率小于1%，所以大致认为当r小于或等于6时，孔径对圆孔应力的影响突然被忽略，此时可以使用100*200。平板被认为是无限的。此外，当r=6时，应力集中系数为3.0666，非常接近理论值，表明实验过程中网格绘制得足够紧密，后续的模拟实验都是在此基础上进行的。为了降低孔边的应力集中系数，可以采用改变中心孔应力场分布的方法。从单个孔的应力云图可以看出，沿孔边载荷方向的应力将大大降低，从中我们可以得到启示：在中心孔附近钻孔，可以预测垂直方向钻孔的效果最好。以下是各种钻井条件的实验。网格划分时，每个孔边平均分成160份，矩形板的长边平均分成40份，短边平均分成20份，保证了孔边1上的附加孔在倾斜方向附加孔在水平方向垂直方向上的3个附加孔上述实验与我们的预测一致。只有通过钻探实验采用了ANSYS的优化设计算法，设置了附加孔半径r和孔中心距y两个参数，并将r的取值范围设置为(1-5.9)，因为孔直径太小对中心孔应力集中系数的影响可以忽略，但当附加孔直径大于6时，可以得到孔直径越大，应力集中系数越大的规律。此时，附加孔的应力集中将比中心孔的应力集中更严重，这不符合本课题的要求。y的范围是(7.5-36)，当y太大时，根据圣维南原理，附加孔对中心孔的影响也可以忽略。z是中心孔边缘和附加孔边缘之间的最小距离。将每个实验的最大应力设置为变量PAR，并将PAR的收敛精度设置为0.005采用一阶算法，周期数设置为30。第一次优化的结果如下：首次优化了应力集中系数与孔中心距和孔半径的关系。首先优化应力集中系数、孔中心距、孔半径和循环次数之间的关系首次优化每个参数的数据从上表可以看出，第26个周期的结果是最好的，但是在这个时候发现芯孔已被附加孔损坏，不符合要求。添加一个状态变量：中心孔边缘和附加孔边缘之间的最小距离z。将Z的范围设置为(0.2-24)，从而确保附加孔不会损坏中心孔。进行第二次优化，优化数据如下：第二次优化的计算结果二次优化应力集中系数与孔中心距和孔半径的关系图第二次优应力集中系数、孔中心距离和孔半径与循环次数的关系每个参数数据的二次优化从图和表中，我们可以看到22组和23组循环序列的结果非常接近。并且是所有最优级数中的最小值。因为我们不能通过用尽所有的点来得到最好的解，所以我们认为最好的解在区域r(5.2717 5.3875)；Y (11.604 12.137)，此时可获得最佳应力集中系数。通过在这些区域选取一些点进行实验，发现应力集中系数也在上述范围内，这与我们的结论一致。一些命令流程如下CYL4，0，0，6/设置中心孔的位置和大小CYL4，0，Y，R/设置附加孔的位置和尺寸EQV南坡，0，1.0/显示等效应力云图*GET，PAR，南坡，0，最大/取出最大应力值并将其分配给目标变量PAROPVAR，R，DV，1，5.9，/集合R在1-5.9范围内OPVAR，Y，DV，7.5，36，/集合Y在7.5-36范围内OPVAR，Z，SV，0.2，24，/集合Z在0.2-24范围内OPVAR，PAR，OBJ，0.005，/集合PAR收敛精度为0.005(2)梯形板问题当减小梯形窄边的宽度时，梯形板上圆孔的应力会增加，但可以有效地减轻板的重量。当应力增量仍在我们的承诺范围内时，我们可以减少大量的材料，从而减轻板的重量。我们通过相对于初始条件的重量减少率和相对于初始条件的应力增加率来衡量结果的优化程度。该值越大，当相同的应力增加时，重量损失越明显。首先，对正方形板的情况进行测试，得到初始值。平板的尺寸是200*200，孔的半径是10。网格划分：孔边平均分为200份，与孔连接的边按0.08的比例分别分为80份，其余边平均分为80份。网格如下所示方形板栅初始应力云图梯形窄边长为128时的应力云图当梯形窄边的长度一直减小时，我们可以预测最大应力将出现在窄边。这也不是我们想要的。当窄边为46时，最大应力低于窄边，如下图所示：梯形窄边长为46时的应力云图因此，在使用有限元分析软件进行优化设计时，设计变量x(窄边的半宽)应该是有限的s/是相对初始条件下的面积缩减值；T/面积缩减值与初始面积之比；DPAR/压力增加值；初始情况下重量与重量的比值，以及初始情况下应力与重量的比值。优化采用步长为1的零阶算法。获得了71组数据，如下表所示。梯形板优化数据表梯形板优化数据图表根据上述标准，从图中可以看出，当窄边的半宽度为97时，获得了最佳结果。一些命令流程如下：*SET，X，23/设置窄边半宽的初始值DPAR*集合，W，T/DPAR/集合变量W，K，4，X，200，K，3，-X，200，/设置窄边位置FLST，5，2，4，ORDE，2 FITEM，5，9 FITEM，5，-10厘米，_Y，线路LSEL、P51X厘米、_Y1、线CMSEL、_YLESIZE，_Y1，80，0.08、0FLST，5，1，4，ORDE，1 FITEM，5，3厘米，_Y，LSEL线，P51X厘米，_Y1，CMSEL线，_YLESIZE，_Y1，40*x/100，1 SFL，P51X，PRES，-100/x，缩放网格参数化网格/参数化设置负载/*最大应力，最小应力，最小应力，0，最大/取出最大应力，并将其分配给可变最小应力(3)双向荷载作用下的长圆孔问题问题是板受到双向拉力，纵向载荷是横向载荷的两倍(这是发动机舱壳体的正常载荷条件)，原来的圆孔变成了长方形孔。为了便于计算，我们使用变量DPAR来量化孔边缘的平均应力水平。使用四分之一模型，孔边平均分成120个部分，矩形半连长平均分成80个部分，其他边分成100个部分。网格如下：垂直轴是水平约束，水平轴是垂直约束。纵向载荷为均匀载荷-2，横向载荷为均匀载荷-1。利用ANSYS对零阶法进行优化，步长为1，一些结果如下：双向载荷下长圆孔的优化数据。处理上表中的数据：最大应力和最小应力之差与矩形半高的关系由上图可以看出，ANSYS优化的最佳结果为Y=16，应力云图如下：最大应力与矩形半高的拟合曲线用矩形的一半高度拟合最大应力后，方差为0.001，拟合效果非常好拟合函数可用于计算未测试点的最大应力值，并确保足够的精度。最大应力和最小应力差与矩形半高的拟合曲线将最大应力和最小应力之差与矩形半高进行拟合后，方差为0.0058，拟合效果也很好。我们仍然可以使用拟合函数来评估未测试点的平均应力水平。通过计算，DPAR在Y (15.5-18)范围内得到最优值，因此最优区域为(15.5-18)。一些命令流程如下：*SET，Y，30/set变量Y初始值BLC4，-10，0，10，Y气缸4，0，Y，10 /