专利名称：准确获取梁结构的截面形式及相应截面尺寸数据的方法
技术领域：
本发明属于结构力学领域，涉及一种准确获取梁结构的截面形式及相应截面尺寸 数据的方法。
背景技术：
颤振模型的梁架设计过程中，梁架截面采用何种形式，其截面尺寸数据如何确定， 总给设计员带来很大困扰，而粱架的刚度特性直接关系到颤振模型模拟的准确性，严重影 响飞机的安全性。如何能快速、准确地给定模型梁架结构的截面形式，及截面尺寸数据，对 颤振专业设计人员而言显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是给出一种能合理地确定梁结构的截面形式，并能准确给出与该截 面形式对应的截面尺寸数据的方法。本发明的技术解决方案是(1)以结构梁的重量指标和目标结构梁的刚度数据为约束条件，确定目标结构梁 的截面形式，目标结构梁的重量不应超过结构重量的30% ；(2)依据目标结构梁的刚度和截面形式，确定目标结构梁的特征截面尺寸范围；(3)依据目标结构梁的截面形式，确定目标结构梁截面的参数比；在满足参数比 条件的前提下，在目标结构梁的截面尺寸范围内，以第二步确定的特征截面尺寸范围的5% 为步长，对所有可行的截面尺寸进行撒点试算，获取与各点对应的截面刚度数据；(4)将试算结果与目标结构梁的刚度数据进行比较，得到差额百分比数据，选取差 额百分比数据中数值最小的点，作为第二轮试算的基准点；(5)以此基准点为中心，以第二步确定的特征截面尺寸范围的5%为幅度，确定第 二轮试算的特征尺寸变化范围；(6)在第二轮试算的特征尺寸变化范围内，以第二步确定的特征截面尺寸范围的 1 %为步长，进行第二轮撒点试算，获取与各点对应的截面刚度数据；(7)将第二轮试算结果与目标结构梁的刚度数据进行比较，得到差额百分比数据， 选取差额百分比数据中数值最小的点，与该点对应截面尺寸数据即为目标结构梁的截面尺 寸数据。本发明具有的优点和有益效果，本发明利用加工工艺难易程度、结构的重量指标 等多重指标为约束条件，以快速、可靠的计算程序为依托，能高效，准确地给出模型结构的 截面形式及截面尺寸数据；为颤振模型快速准确设计提供了可靠的方法，这为飞机防颤振 设计提供可靠辅助手段。
图1是本发明中确定目标结构梁矩形截面形式示意图；图2是本发明中确定目标结构梁“十”字形截面形式示意图3是本发明中确定目标结构梁“回”字形截面形式示意图；图4是本发明中确定目标结构梁圆环形截面形式示意图。
具体实施例方式(1)以结构梁的重量指标和目标结构梁的刚度数据(首先只考虑横向弯曲刚度数 据II，纵向弯曲刚度数据12，得到矩形的截面尺寸数据，然后考虑扭转刚度数据J判断选取 哪种截面合适)为约束条件，确定目标结构梁的截面形式(矩形截面，“十”字截面，“回”字 截面，圆环形截面等)；满足达到同样刚度指标的前提下，重量最轻，同时也要考虑加工工 艺的难易程度，加工成本的要求；(2)依据目标结构梁的刚度和截面形式，确定目标结构梁的特征截面尺寸范围； (矩形截面，确定长、宽的取值范围；“十”字截面，确定主矩形的长和宽的取值范围，耳片的 长和宽的取值范围为耳片所在主矩形边的边长的50% ；“回”字截面，确定外边界的长和宽 的取值范围，“回”字壁厚的取值范围为对应外边界取值范围的50%;圆环截面；确定外径的 取值范围，内径的取值范围与外径相同；)(3)依据目标结构梁的截面形式，确定目标结构梁截面的参数比(矩形截面，其长 宽比不大于10，且不小于1 ； “十”字截面，其主矩形的长宽比不大于10，且不小于1 ；“回”字 截面，其外边界的长宽比不大于3，且不小于1)；在满足参数比条件的前提下，在目标结构 梁的截面尺寸范围内，以第二步确定的特征截面尺寸范围的5%为步长，对所有可行的截面 尺寸进行撒点试算(矩形截面，带入计算公式1 3，“十”字形截面，带入计算公式4 6， “回”字形截面，带入计算公式7 9，圆环形截面，带入计算公式10 12，获取与各点对应 的截面刚度数据；矩形截面(具体尺寸说明如图1所示，公式来源详见吴家龙著《弹性力学》P263 269) 其中b为矩形截面的长，H为矩形截面的宽；“十”字截面(具体尺寸说明如图2所示，公式来源详述请参见发明名称为“高准 确度获取“十”字形结构截面刚度数据的方法”申请号201020209939. 0)
(b-tJH3 +t人H + 2t2)
h =
12
3 ,3
(4)
—bH' +2t2tx 1,— 2 12
(5)
4
(6) 其中b为“十”字形截面的主矩形横向长度，H为“十”字形截面的主矩形纵向高 度，tl为“十”字形截面的耳片长度，t2为“十”字形截面的耳片纵向高度；“回”字截面(具体尺寸说明如图3所示，公式来源详述，请参见发明名称为“高准 确度获取“回”字形结构截面刚度数据的方法”申请号201010209940. 3)
其中b为“回”字形截面的横向长度，H为“回”字形截面的纵向高度，tl为“回” 字形截面的横向壁厚，t2为“回”字形截面的纵向壁厚；圆环形截面(具体尺寸说明如图4所示，公式来源，详见刘鸿文著《材料力学》上 册，附录)I1 = —(R24 - R14)(10) 其中R1为圆环形截面的内径，R2为圆环形截面的外径；(4)将试算结果与目标结构梁的刚度数据进行比较，得到差额百分比数据，选取差 额百分比数据中数值最小的点，作为第二轮试算的基准点；(5)以此基准点为中心，以第二步确定的特征截面尺寸范围的5%为幅度，确定第 二轮试算的特征尺寸变化范围；(6)在第二轮试算的特征尺寸变化范围内，以第二步确定的特征截面尺寸范围的 1 %为步长，进行第二轮撒点试算，获取与各点对应的截面刚度数据；
(7)将第二轮试算结果与目标结构梁的刚度数据进行比较，得到差额百分比数据， 选取差额百分比数据中数值最小的点，与该点对应截面尺寸数据即为目标结构梁的截面尺 寸数据。实施例假定需要设计一段金属梁，其长度为200mm，密度为0. 027g/mm3,目标截面刚度数 据为11 = 892. Omm3, 12 = 1332. Omm3jJ = 955. 855mm3，要求梁的重量不大于 550g。假定， 各种截面形状的加工成本及加工难易程度为矩形截面，加工成本为100，加工难易程度为50“十”字截面，加工成本为150，加工难易程度为60“回”字截面，加工成本为300，加工难易程度为90圆环形截面，加工成本为200，加工难易程度为75(1)计算得到与各截面形状对应加工权重A 矩形截面，為=(-—-+-—-)/2.0
1 v100 + 150 + 300 + 200 50 + 60 + 90 + 75“十”字截面，為=(-—-+-—-) / 2.0
2100 + 150 + 300 + 200 50 + 60 + 90 + 75
30090“回”字截面，為=(-+-)/2.0
3100 + 150 + 300 + 200 50 + 60 + 90 + 75
20075圆环形截面，J4=(-+-)/2.0
4v100 + 150 + 300 + 200 50 + 60 + 90 + 75可见，矩形截面、“十”字截面、圆环形截面、“回”字截面的优先级依次降低；即能选 前一种截面，不选后者。(2)以目标结构梁的重量指标和目标刚度数据(只考虑横向弯曲刚度数据II，纵 向弯曲刚度数据12)为约束条件，并考虑前一步骤计算得到的权重值A(该权重值占总权重 的20%，且为被减项)确定截面形式；由于目标刚度数据Il Φ 12，直接淘汰圆环形截面。由Il和12可以计算得到最接 近该刚度数据值的矩形截面尺寸为b = 11.82mm，H = 9. 68mm，计算得到此时梁的重量值为 616. 81g，对应的截面扭转刚度数据为1817. 86mm3，与重量指标550相比，明显偏大，需要选 取空心结构，直接淘汰矩形截面和“十”字截面，选中“回”字截面。尽管“回”字截面优先级 最低，但是该算例只有“回”字截面合适。(3)依据目标结构梁的“回”字截面形式，确定目标结构梁截面的参数比(即，外边 界的长宽比不大于3，且不小于1)；在满足参数比条件的前提下，在目标结构梁的截面尺寸 范围内，以第二步确定的特征截面尺寸范围的5% (即0. 6mm，和0. 5mm)为步长，对所有可 行的截面尺寸进行撒点试算(带入计算公式7 9)，获取与各点对应的截面刚度数据；(4)将试算结果与目标结构梁的刚度数据进行比较，得到差额百分比数据，选取差 额百分比数据中数值最小的点(b = 12mm, H = 10mm, tl = 3mm, t2 = 2mm)，作为第二轮试 算的基准点；(5)以此基准点为中心，以第二步确定的特征截面尺寸范围的5%为幅度，确定第 二轮试算的特征尺寸变化范围；
(6)在第二轮试算的特征尺寸变化范围内，以第二步确定的特征截面尺寸范围的 (即0. 12mm和0. Imm)为步长，进行第二轮撒点试算，获取与各点对应的截面刚度数据；(7)将第二轮试算结果与目标结构梁的刚度数据进行比较，得到差额百分比数据， 选取差额百分比数据中数值最小的点，与该点对应截面尺寸数据即为目标结构梁的截面尺 寸数据(艮口，b = 12. 2mm, H = 9. 9mm, tl = 2. 9mm, t2 = 2. 1mm。
权利要求
一种准确获取梁结构的截面形式及相应截面尺寸数据的方法，其特征是(1)以结构梁的重量指标和目标结构梁的刚度数据为约束条件，确定目标结构梁的截面形式，目标结构梁的重量不应超过结构重量的30％；(2)依据目标结构梁的刚度和截面形式，确定目标结构梁的特征截面尺寸范围；(3)依据目标结构梁的截面形式，确定目标结构梁截面的参数比；在满足参数比条件的前提下，在目标结构梁的截面尺寸范围内，以第二步确定的特征截面尺寸范围的5％为步长，对所有可行的截面尺寸进行撒点试算，获取与各点对应的截面刚度数据；(4)将试算结果与目标结构梁的刚度数据进行比较，得到差额百分比数据，选取差额百分比数据中数值最小的点，作为第二轮试算的基准点；(5)以此基准点为中心，以第二步确定的特征截面尺寸范围的5％为幅度，确定第二轮试算的特征尺寸变化范围；(6)在第二轮试算的特征尺寸变化范围内，以第二步确定的特征截面尺寸范围的1％为步长，进行第二轮撒点试算，获取与各点对应的截面刚度数据；(7)将第二轮试算结果与目标结构梁的刚度数据进行比较，得到差额百分比数据，选取差额百分比数据中数值最小的点，与该点对应截面尺寸数据即为目标结构梁的截面尺寸数据。
全文摘要
本发明属于结构力学领域，涉及一种高准确度获取颤振模型梁架结构的截面形式(矩形、“十”字形、“回”字形和圆环形等)及相应截面尺寸数据的方法。本发明以目标截面刚度数据和梁结构的重量指标为约束条件，综合考虑加工工艺及成本因素，首先通过优化比较确定目标梁结构的截面形式；然后，由目标截面刚度数据及已经确定的截面形式，计算得到截面尺寸的变化范围；再以最接近目标刚度数据为目标，截面尺寸的工程合理性为约束条件，通过优化选择技术，确定目标结构的截面尺寸数据。通过本发明可以较为准确地获得目标结构的截面形式及相应的截面尺寸数据，为颤振模型的准确设计提供了有力支持；也为类似结构的仿真、设计提供了可靠的方法。
文档编号G06F17/50GK101894182SQ20101021528
公开日2010年11月24日 申请日期2010年7月2日 优先权日2010年7月2日
发明者党云卿, 王琳琳, 胡志勇 申请人:中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所