本發(fā)明屬于飛機(jī)氣密框結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種金屬球面框及其設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

飛機(jī)上的氣密框，分別位于機(jī)頭的和后機(jī)身，是飛機(jī)氣密區(qū)與非氣密區(qū)的分界面。氣密框承受機(jī)艙內(nèi)部的氣壓載荷，為乘客提供一個(gè)安全舒適的氣壓環(huán)境。機(jī)頭的氣密框還能為雷達(dá)提供安裝位置，尾部的氣密框可能為系統(tǒng)管路和導(dǎo)線提供通道和固定點(diǎn)。

位于后機(jī)身的氣密框一般分為平板框，球面框和組合型氣密框。球面框被認(rèn)為是飛機(jī)最主要的結(jié)構(gòu)部件之一。平板框承受氣密載荷的形式與球面框不同，導(dǎo)致重量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于球面框。大型民用飛機(jī)上，一般采用球面框，這樣可以提高結(jié)構(gòu)的使用效率，在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度要求的前提下，降低飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量，制造工藝成熟，成本低。

從受力特性看，球面框最好做成半球，即球面半徑與機(jī)身半徑一致。此時(shí)框板上的均勻拉應(yīng)力正好全部、直接地傳給機(jī)身殼體蒙皮。但半球形狀使機(jī)身容積利用率低，球面前、后都較難安放有效載重，更難以裝滿，且工藝上制作也較復(fù)雜。因此實(shí)際上在大飛機(jī)上一般也常采用球面的一部分作為球面框的外形。

球面框在客艙壓力作用下，球皮上處處為張應(yīng)力。與傳統(tǒng)的平板氣密框相比，重量更輕，受力更加合理。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種飛機(jī)金屬球面框結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法。

技術(shù)方案：一種金屬球面框結(jié)構(gòu)，包括球皮(1)、環(huán)向止裂帶(2)、徑向止裂帶(4)及對(duì)接件(5)組成，各結(jié)均采用金屬材料，其中，球皮(1)為球冠外形的殼體結(jié)構(gòu)，在球皮(1)上布置若干環(huán)向止裂帶(2)、徑向止裂帶(4)，對(duì)接件(5)為環(huán)框結(jié)構(gòu)，球皮(1)與機(jī)身壁板通過對(duì)接件(5)對(duì)接。

涉及方法具體如下：

1)球面框氣密載荷由以下公式確定：

p＝101325(1-2.2558×10^-5×hp)^5.2559

δp＝pcabin-pceiling

p’＝2δp

此處，p為壓強(qiáng)，hp為飛行高度，δp為客艙壓力差，pcabin為機(jī)身內(nèi)部壓強(qiáng)，pceiling為飛行過程中機(jī)身外部壓強(qiáng)，p’為設(shè)計(jì)時(shí)使用的氣密載荷；

2)作用在環(huán)框?qū)蛹?5)上的擠壓載荷由以下公式確定：

此處，為球面框球皮的子午圈角，子午圈角的定義為球皮與球面框框平面的夾角，r為球面框球皮的半徑，rc為飛機(jī)機(jī)身的半徑；

3)作用在環(huán)框?qū)蛹?5)上的徑向載荷由以下公式確定：

4)作用在環(huán)框?qū)蛹?5)上的軸向載荷由以下公式確定：

5)球面框球皮半徑由以下公式確定：

6)球面框球皮高度由以下公式確定：

7)球面框球皮厚度由以下公式確定：

此處ft是球皮的切向應(yīng)力；是球皮的環(huán)向應(yīng)力；作為金屬球面框，在結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)時(shí)取t是球面框球皮的厚度；

8)球面框球皮的面積由以下公式確定：

s＝2πrh

9)球面框球皮重量由以下公式確定：

10)球面框球皮子午圈角由以下公式確定：

此處，ρ為材料密度，球皮的子午圈角最佳角度為60°，子午圈角實(shí)際大小可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整；

11)球面框球皮的極限裂紋長度由以下公式確定：

此處，ac為金屬球皮的極限裂紋長度，σ為球皮的應(yīng)力，kic為球皮材料的殘余剛度，這個(gè)值可以在材料手冊(cè)mmpds中查到；

12)球面框止裂帶以及球皮分塊位置由以下公式確定：

l≤2ac

此處，l為球皮上止裂帶與球皮分塊處之間，球皮止裂帶之間的最大距離；

13)球面框止裂帶寬度以及球皮分塊處搭接區(qū)域?qū)挾扔梢韵鹿酱_定：

w≥(2d+1)+(2d+1)+4d＝8d+2

此處，d為止裂帶以及球皮分塊處搭接區(qū)域所選取的連接件直徑；

14)球面框與機(jī)身對(duì)接環(huán)框?qū)蛹?5)腹板厚度由以下公式確定：

此處，tp為環(huán)框?qū)蛹?5)腹板厚度，a為簡化固支板的長度，b為簡化固支板的寬度，n為長度與寬度的比值，e為材料彈性模量，σα為材料許用應(yīng)力；

15)建立有限元模型，對(duì)環(huán)框?qū)蛹?5)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，調(diào)整環(huán)框?qū)蛹?5)

腹板厚度和立筋的位置，保證球面框球皮應(yīng)力處處相同；

根據(jù)球皮上開孔的位置和數(shù)量，決定是否在球皮上增加加強(qiáng)筋，以及加強(qiáng)筋的數(shù)量和位置。

有益效果

球面框的使用可以有效提高結(jié)構(gòu)的使用效率，降低飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量，制造工藝成熟，成本低。

附圖說明

圖1為機(jī)身半徑、球皮半徑與子午圈角的定義示意圖；

圖2為環(huán)框受力分析示意圖；

圖3為球皮子午圈角與球皮重量的關(guān)系；

圖4為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。

其中，球皮(1)、環(huán)向止裂帶(2)、徑向止裂帶(4)及對(duì)接件(5)。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本發(fā)明金屬球面框采用規(guī)則球冠球皮+環(huán)框的方案。機(jī)身的功能是為裝載乘客和貨物提供空間。飛機(jī)的機(jī)身截面一般都是復(fù)雜的雙泡形截面。球面框主要承受機(jī)身的氣密載荷，規(guī)則球冠外形的球面框在氣密載荷下應(yīng)力和位移處處相等，這是最為理想的球面框外形。規(guī)則球冠外形的球面框也使球皮易于制造。球皮和機(jī)身蒙皮之間通過一個(gè)環(huán)框連接。具體涉及步驟如下：

1)球面框氣密載荷由以下公式確定：

p＝101325(1-2.2558×10^-5×hp)^5.2559

δp＝pcabin-pceiling

p’＝2δp

此處，p為壓強(qiáng)，hp為飛行高度，δp為客艙壓力差，pcabin為機(jī)身內(nèi)部壓強(qiáng)，pceiling為飛行過程中機(jī)身外部壓強(qiáng)，p’為設(shè)計(jì)時(shí)使用的氣密載荷；

2)作用在環(huán)框?qū)蛹?5)上的擠壓載荷由以下公式確定：

此處，為球面框球皮的子午圈角，子午圈角的定義為球皮與球面框框平面的夾角，r為球面框球皮的半徑，rc為飛機(jī)機(jī)身的半徑，具體見圖1；

3)作用在環(huán)框?qū)蛹?5)上的徑向載荷由以下公式確定，如圖2所示：

4)作用在環(huán)框?qū)蛹?5)上的軸向載荷由以下公式確定：

5)球面框球皮半徑由以下公式確定：

6)球面框球皮高度由以下公式確定：

7)球面框球皮厚度由以下公式確定：

此處ft是球皮的切向應(yīng)力；是球皮的環(huán)向應(yīng)力；作為金屬球面框，在結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)時(shí)取t是球面框球皮的厚度；

8)球面框球皮的面積由以下公式確定：

s＝2πrh

9)球面框球皮重量由以下公式確定：

10)球面框球皮子午圈角由以下公式確定：

此處，ρ為材料密度，圖3所示為球面框球皮子午圈角和球皮重量的關(guān)系，可以得到子午圈角的時(shí)候，球皮重量最小。球皮的子午圈角最佳角度為60°，子午圈角實(shí)際大小可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整；

11)球面框球皮的極限裂紋長度由以下公式確定：

此處，ac為金屬球皮的極限裂紋長度，σ為球皮的應(yīng)力，kic為球皮材料的殘余剛度，這個(gè)值可以在材料手冊(cè)mmpds中查到；

12)球面框止裂帶以及球皮分塊位置由以下公式確定：

l≤2ac

此處，l為球皮上止裂帶與球皮分塊處之間，球皮止裂帶之間的最大距離；

13)球面框止裂帶寬度以及球皮分塊處搭接區(qū)域?qū)挾扔梢韵鹿酱_定：

w≥(2d+1)+(2d+1)+4d＝8d+2

此處，d為止裂帶以及球皮分塊處搭接區(qū)域所選取的連接件直徑；

14)球面框與機(jī)身對(duì)接環(huán)框?qū)蛹?5)腹板厚度由以下公式確定：

此處，tp為環(huán)框?qū)蛹?5)腹板厚度，a為簡化固支板的長度，b為簡化固支板的寬度，n為長度與寬度的比值，e為材料彈性模量，σα為材料許用應(yīng)力；

15)建立有限元模型，對(duì)環(huán)框?qū)蛹?5)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，調(diào)整環(huán)框?qū)蛹?5)

腹板厚度和立筋的位置，保證球面框球皮應(yīng)力處處相同；

根據(jù)球皮上開孔的位置和數(shù)量，決定是否在球皮上增加加強(qiáng)筋，以及加強(qiáng)筋的數(shù)量和位置。