飞翼布局桁架型翼梁的结构特性分析

2018-03-05田玉艳姜雨昂

机械工程师 2018年2期

田玉艳，姜雨昂

（中国飞行试验研究院，西安 710089）

0 引言

飞翼布局飞机翼梁的结构分为两种类型：腹板型和桁架型。腹板型翼梁结构具有良好的结构性能，在现代机翼翼梁设计中得到广泛应用。但飞翼布局翼梁有别于传统翼梁，飞翼布局翼梁内段结构高度大、下缘条有转折，若仍采用腹板型结构形式，翼梁将会出现应力集中、失稳等缺点。文中采用桁架型的结构形式对飞翼布局翼梁进行改进，证明桁架型翼梁可提高腹板型翼梁的承载能力，并通过比较几种改进的桁架型翼梁的受力特性，得到最优的桁架型翼梁结构形式。

1 飞机翼梁载荷理论

为了简化计算过程，飞机升力沿翼展分布可按椭圆形考虑，则半翼展升力分布如图1所示。

建立图1所示椭圆解析方程式：

式中：y为翼展位置；z为升力；a为椭圆短轴，为未知量，需计算得到；b为椭圆长轴，其值为机翼半展长。

图1 半翼展升力分布

变换式（1）得到升力分布表达式：

对式（2）积分得到

式中，k为常数量。

将由式（4）中求出的a值代入式（2）得半翼展升力方程:

图2 换算后的半翼展升力分布图

图3 飞翼布局腹板型翼梁有限元模型

图4 梁缘条和加强支柱截面图

由于文中只研究机翼翼梁在升力载荷作用下的受力特性，因此假设升力由飞机机翼产出，机身不产生升力，将机身产生的升力换算到机翼上，换算后的半翼展升力分布图如图2所示。

图2中：L为半机身宽度；h为换算后升力在z方向的增量，为未知量，需计算得到；阴影部分升力总和等于机身所产生升力总和的1/2。

由式（6）求出的h加上式（5）得到换算后的半翼展升力方程:

文中研究双梁机翼的翼梁受力特性，假设由翼梁承受全部升力载荷，一根翼梁承受的升力载荷由式（7）可得

2 飞翼布局腹板型翼梁结构特性分析

飞翼布局腹板型翼梁由3部分组成：内段、中段和外段。内段厚度大，翼梁在内段与中段连接处出现转折。飞翼布局腹板型翼梁有限元模型如图3所示，翼梁长16 000 mm，翼根厚2400 mm，翼尖厚160 mm，内段与中段连接处厚1000 mm；内段长3500 mm，中段长3500 mm，外段长9000 mm。翼梁由上下缘条、腹板、加强支柱组成。腹板厚2 mm；翼梁缘条、下缘条采用“T”型截面，如图4（a）所示，其中缘条厚度为常数，其它具体参数采用有限元软件中的场定义；加强支柱采用“L”型截面，如图4（b）所示（其中w=H=15 mm，t1=t2=1.6 mm）。在整个翼梁模型中BEAM单元640个，SHELL（QUAD4）单元2560个，BAR单元320个。

假设飞机起飞重量G=70 000 kg，半机身宽度L=4000 mm；翼梁长度尺寸已知，可得b=L+16 000 mm=20 000 mm；将G、L、b的值代入式（8）得到翼梁受到升力载荷为

其中，4000 mm≤y≤20 000 mm。

则梁缘条所受压强为

有限元分析得腹板型翼梁应力、变形云图见图5。

图5 飞翼布局腹板型翼梁应力、变形云图

由分析可知飞翼布局腹板型翼梁最大应力值为1400 MPa，最大变形值为1540 mm，翼梁最大应力值大于材料合金钢的强度极限1078 MPa，翼梁结构发生破坏。翼梁最大应力值位于翼梁内段与中段相连接处，且翼梁内段与中段相连接处出现应力集中；变形最大值位置在翼梁尖端；飞翼布局腹板型翼梁总重量1005 kg。

3 改进后的飞翼布局桁架型翼梁结构特性分析

图6 几种改进后的飞翼布局桁架型有限元模型

为了消除飞翼布局腹板型翼梁在翼梁内段与中段连接处的应力集中，保持翼梁内段与中段结构形式的一致性，可以将翼梁内段和中段同时改为桁架型，并对斜支柱尺寸进行修改，增加斜支柱受力强度和刚度，提高桁架型翼梁的稳定性。几种改进后的飞翼布局桁架型翼梁有限元模型见图6。

有限元分析翼梁应力云图如图7，翼梁最大应力值、翼梁最大变形值、缘条最大应力值、腹板最大剪切应力值和翼梁总重量值见表1。

图7 几种改进后的飞翼布局桁架型翼梁应力云图

表1 几种改进后的飞翼布局桁架型翼梁有限元分析数据

由分析可知，改进后的飞翼布局桁架型翼梁斜支柱内应力比较大，越靠近翼梁内段用中段连接处，斜支柱的内应力越大；在翼梁内段与中段连接处、中段与外段连接处的竖直支柱内应力较大；在翼梁缘条与斜支柱连接处、翼梁内段与中段连接处、中段与外段连接处，翼梁缘条的内应力有突变；因此，应力较大和应力有突变的地方，受力元件尺寸较大。在给定的4种飞翼布局桁架型翼梁中，“米”字型桁架翼梁受力特性较好。