Chap2 飞机结构设计思想和方法 ¶

发展过程

1. 静强度和刚度设计阶段
2. 强度、刚度、疲劳安全寿命设计阶段
3. 强度、刚度、损伤容限和耐久性设计
4. 结构可靠性设计试用阶段

静强度设计

• 应用背景：低空、低速、结构载荷小

• 结构要求：能承受指定大小的静载荷

• 设计要求 \(P_u\ge P_d, P_d=f\times P_e\)，或者 \(\sigma_u \ge \sigma_d\)

  • \(P_d\) 为设计载荷，\(P_e\) 为使用载荷，\(P_u\) 为结构强度，\(f\) 为安全系数

  • 安全系数是为了补偿设计中的不确定因素，一般取 1.5

• 设计中通常采用设计载荷法

动强度、动刚度设计

• 应用背景：高速、翼型较薄、结构载荷较大

• 结构要求：不能出现较大变形而影响气动性能，避免结构发生颤振、抖振、变形发散

• 设计要求：\(V_{\max}\le V_d=V_{cr},V_{cr}=(f_fV_f,f_sV_s,f_aV_a)\)

  • \(V_{\max}\) 为最大飞行速度，\(V_{cr}\) 为气动弹性临界飞行速度，\(V_f,V_s,V_a\) 为颤振速度、机翼发散速度、副翼失效速度，\(V_d\) 为设计速度

疲劳 - 安全寿命设计

• 应用背景：金属结构、高速、长寿命

• 结构要求：

  • 要求结构或构件的设计应力水平低于有关的疲劳极限应力——极限寿命设计
  • 结构在不进行检查和修复的情况下，因疲劳损坏的概率极小，具有足够安全的设计寿命——安全寿命设计

• 设计要求：\(N_e\le N_{sa}=N_{ex}/n_f\)

  • \(N_e\) 为使用寿命，\(N_{sa}\) 为安全寿命，\(N_{ex}\) 为实验寿命，\(n_f\) 为分散系数
• 常用疲劳寿命分析方法：S-N 曲线法，应力严重系数法，局部应力 - 应变法
• 安全寿命设计要求承力结构在规定的寿命期内不进行检查和维修的条件下疲劳失效概率极小
• 进行安全寿命设计的根本途径在于控制应力水平

损伤容限设计

• 应用背景：认为飞机结构在使用前就带有初始缺陷，受损结构应满足规定的剩余强度要求
• 结构要求：
  • 某个结构元件破损后，其残余结构仍然能承受一定的载荷，并在下次检查前不会出现结构破坏——破损安全结构
  • 在整个寿命期内，裂纹应缓慢发展，以使其不会达到临界裂纹长度——缓慢裂纹扩展结构
• 破损安全设计要求：\(n_{fa}\ge n_e=n_d/f\)
  • \(n_{fa}\) 为剩余强度系数，\(N_{ex\cdot fa}\ge4H\)，\(H\) 为检查间隔
• 裂纹缓慢扩展设计要求：\(N_{a_0\rightarrow a_{cr}}\)
  • \(a_0\) 为初始裂纹长度，\(a_{cr}\) 为临界裂纹长度，\(N_e\) 使用寿命

耐久性设计

• 应用背景：寿命指标由安全寿命替换成经济寿命，对应的裂纹尺寸即为经济修理极限
• 设计要求：\(N_{ec}=N_e=N_{ex\cdot en}/n\)
  • \(N_{ex}\) 为经济寿命，\(N_{ex\cdot en}\) 为耐久性试验寿命，\(n\) 为分散系数，一般取 2

主要方法

• 定性设计：定性设计 + 粗略估算 + 强度校核
• 定量设计：定性选取方案，精确计算结构尺寸
• 智能设计：采用先进的 CAD 和 CAE 技术进行结构设计

设计变量

• 拓扑变量：包括元件、连接点及支持条件的数目及空间排列秩序

• 外形变量：描述结构的几何外形，通常是节点坐标

• 尺寸变量：描述组成结构元件的截面尺寸

优化方法

• 拓扑优化：优化孔洞的连通性和材料布局——概念设计阶段
• 形状优化：优化结构边界的几何形状——基本设计阶段
• 尺寸优化：优化结构几何的特征尺寸——详细设计阶段