一种可调节载荷的梁的设计方法与流程

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1.本技术属于飞机结构设计技术领域，特别涉及一种可调节载荷的梁的设计方法。

背景技术：

2.在飞机结构设计中，由于结构装配、对接或者功能(比如装卸货物等)的需要，机身往往布置比较多的梁。对于梁的设计，传统的设计方法是设计师根据自身经验完成初步的布局设计，建立有限元模型，然后根据严重载荷计算出结构的应力分布，根据应力分布调整结构尺寸，逐步迭代，得到最终的结构形式。传统的设计方法由于最初的布局设计与设计师的经验有关，限制了后面尺寸设计的效果，最终的结果往往结构重量较重，刚度偏小，应力较大，并且由于布局设计的不确定性，导致效率低下，严重影响设计周期。
3.因此，针对传统设计方法及现有技术水平的不足，研究一种新的设计方法，以降低结构重量，提高结构性能，缩短设计周期，具有十分重要的意义。

技术实现要素：

4.本技术的目的是提供了一种可调节载荷的梁的设计方法，以解决现有技术中对梁的设计与实际要求偏差较大从而导致梁的设计效率较低的问题。
5.本技术的技术方案是：一种可调节载荷的梁的设计方法，包括：设置梁的四个标准端点载荷，根据梁的端点载荷确定梁的端点载荷与梁几何尺寸的约束关系；根据梁的几何尺寸和梁的端点载荷确定梁缘条的轴压载荷与梁缘条截面长度的约束关系；确定梁缘条和材料弹性模量，根据欧拉公式及梁缘条轴压载荷获取梁缘条惯性矩、轴压载荷和梁缘条分段个数的约束关系；根据梁缘条惯性矩得到梁缘条截面长度与梁缘条惯性矩之间的约束关系；确定典型状态下的轴压临界应力系数、剪切临界应力系数，根据梁腹板的几何尺寸及材料属性得到梁腹板轴压许用应力与梁腹板分段个数、剪切复合许用应力与梁腹板分段个数之间的约束关系；根据梁腹板工作应力及轴压和剪切复合许用应力得到梁腹板的分段个数和梁缘条的分段个数；根据梁缘条的轴压载荷、惯性矩和梁腹板轴压和剪切复合许用应力，确定梁缘条截面长度。
6.优选地，所述梁的端点载荷与梁几何尺寸约束关系为：
[0007][0008]
其中，qa、qb、qc、qd为梁a、b、c、d端点垂直方向的载荷，fa、fb、fc、fd为梁a、b、c、d端点水平方向的载荷，l为梁长度，a为梁a、b端点距离，b为梁c、d端点距离。
[0009]
优选地，所述轴压载荷包括垂向载荷作用下的梁缘条轴压载荷和水平载荷作用下的梁缘条轴压载荷，所述垂向载荷作用下的梁缘条轴压载荷n1为：
[0010][0011]
所述水平载荷作用下的梁缘条轴压载荷n2为：
[0012][0013]
则轴压载荷n3为：
[0014]
n3＝n1+n2[0015]
其中，t为梁腹板厚度，c为缘条截面长度。
[0016]
优选地，所述梁缘条惯性矩、轴压载荷n3和梁缘条分段个数的约束关系为：
[0017]
其中，n1为梁缘条分段个数，e为材料弹性模量。
[0018]
优选地，所述梁缘条截面长度与梁缘条惯性矩之间的约束关系为：
[0019][0020]
优选地，所述梁腹板轴压许用应力与梁腹板分段个数之间的约束关系为：
[0021][0022]
所述梁腹板剪切许用应力与梁腹板分段个数之间的约束关系为：
[0023][0024]
其中，μ为材料的弹性泊松比，n2为梁腹板分段个数，kc为轴压临界应力系数，k
cr
为剪切临界应力系数。
[0025]
优选地，所述梁腹板分段个数的计算公式为：
[0026][0027]
所述梁缘条分段个数的计算公式为：
[0028][0029]
优选地，所述梁缘条截面长度的计算公式为：
[0030][0031]
本技术的一种可调节载荷的梁的设计方法，先通过梁的端点载荷与梁几何尺寸的约束关系确定梁腹板的长度，而后根据梁的几何尺寸和梁的端点载荷确定梁的轴压载荷与梁缘条截面长度之间的约束关系，根据欧拉公式及梁缘条轴压载荷得到梁缘条惯性矩、轴
压载荷和梁缘条分段个数的约束关系，并通过代入典型条件下的标准参数来获得梁缘条的分段个数和梁腹板的分段个数，从而最终求得梁缘条截面长度。
[0032]
不需要按照经验进行结构的布局设计，仅需要根据实际的尺寸和载荷需求即可确定梁的具体结构设计，能够降低结构重量，提高结构性能，缩短设计周期。
附图说明
[0033]
为了更清楚地说明本技术提供的技术方案，下面将对附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本技术的一些实施例。
[0034]
图1为本技术整体流程示意图；
[0035]
图2为本技术梁整体结构示意图；
[0036]
图3为本技术梁缘条截面示意图；
[0037]
图4为本技术梁腹板布局结构示意图。
具体实施方式
[0038]
为使本技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行更加详细的描述。
[0039]
一种可调节载荷的梁的设计方法，需要获得的参数为梁缘条的分段个数、梁腹板的分段个数和梁缘条截面长度，通过使用多个中间量来进行梁的设计。
[0040]
如图1-2所示，已知：材料弹性模量e＝70000mpa，材料的弹性泊松比μ＝0.33，梁水平载荷fa＝30000n，fb＝10000n，fc＝0n，fd＝-40000n，梁垂向载荷qa＝6000n，qb＝2000n，qc＝-1000n，qd＝-5000n。
[0041]
包括：
[0042]
步骤s100，设置梁的四个标准端点载荷，根据梁的端点载荷确定梁的端点载荷与梁几何尺寸的约束关系，也即是：
[0043][0044]
通过代入上述已知量可得：
[0045]
2l+5a-10b＝0
[0046]
假设梁腹板厚度t＝2mm，梁一侧宽度a＝400mm，梁另一侧宽度b＝300mm，可得：梁腹板长度l＝500mm。
[0047]
如图3所示，步骤s200，根据梁的几何尺寸和梁的端点载荷确定梁缘条的轴压载荷与梁缘条截面长度的约束关系，代入上述参数得到：
[0048][0049]
步骤s300，确定梁缘条和材料弹性模量，根据欧拉公式及梁缘条轴压载荷获取梁缘条惯性矩、轴压载荷和梁缘条分段个数的约束关系，并结合公式(2)得到：
[0050]
[0051]
步骤s400，根据梁缘条惯性矩得到梁缘条截面长度与梁缘条惯性矩之间的约束关系，也即是：
[0052][0053]
步骤s500，确定典型状态下的轴压临界应力系数、剪切临界应力系数，根据梁腹板的几何尺寸及材料属性得到梁腹板轴压许用应力与梁腹板分段个数、剪切复合许用应力与梁腹板分段个数之间的约束关系；
[0054]
该典型状态也即是：当l/n1＝a/n2时，kc＝4，k
cr
＝24。此时代入公式(1)-(4)，得到：
[0055]
梁腹板轴压许用应力与梁腹板分段个数之间的约束关系为：
[0056][0057]
梁腹板剪切许用应力与梁腹板分段个数之间的约束关系为：
[0058][0059]
其中，μ为材料的弹性泊松比，n2为梁腹板分段个数。
[0060]
通过代入典型状态点来消除中间量，建立各已知参数和未知量之间的关系，以能够有效求取未知量。
[0061]
步骤s600，根据梁腹板工作应力及轴压和剪切复合许用应力得到梁腹板的分段个数和梁缘条的分段个数，根据现有公式：
[0062][0063][0064][0065]
结合公式(5)-(6)，得到：
[0066][0067]
可得：n2＝3.59，分段个数取整，n2＝4。
[0068]
根据步骤4中l/n1＝a/n2可得n1＝5，如图4所示。
[0069]
将现有公式代入典型状态点的计算之中，对梁腹板分段个数和梁缘条分段个数进行准确求取。
[0070]
步骤s700，根据梁缘条的轴压载荷、惯性矩和梁腹板轴压和剪切复合许用应力，确定梁缘条截面长度。
[0071]
结合公式(1)-(6)，得到：
[0072][0073]
可得，c＝8.84mm。
[0074]
本技术通过引入梁缘条的轴压载荷、梁缘条惯性矩、梁腹板工作应力及轴压和剪切复合许用应力等中间参数来进行梁的设计，先通过梁的端点载荷与梁几何尺寸的约束关系确定梁腹板的长度，而后根据梁的几何尺寸和梁的端点载荷确定梁的轴压载荷与梁缘条截面长度之间的约束关系，根据欧拉公式及梁缘条轴压载荷得到梁缘条惯性矩、轴压载荷和梁缘条分段个数的约束关系，并通过代入典型条件下的标准参数来获得梁缘条的分段个数和梁腹板的分段个数，从而最终求得梁缘条截面长度。不需要按照经验进行结构的布局设计，仅需要根据实际的尺寸和载荷需求即可确定梁的具体结构设计，能够降低结构重量，提高结构性能，缩短设计周期。
[0075]
以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：

1.一种可调节载荷的梁的设计方法，其特征在于，包括：设置梁的四个标准端点载荷，根据梁的端点载荷确定梁的端点载荷与梁几何尺寸的约束关系；根据梁的几何尺寸和梁的端点载荷确定梁缘条的轴压载荷与梁缘条截面长度的约束关系；确定梁缘条和材料弹性模量，根据欧拉公式及梁缘条轴压载荷获取梁缘条惯性矩、轴压载荷和梁缘条分段个数的约束关系；根据梁缘条惯性矩得到梁缘条截面长度与梁缘条惯性矩之间的约束关系；确定典型状态下的轴压临界应力系数、剪切临界应力系数，根据梁腹板的几何尺寸及材料属性得到梁腹板轴压许用应力与梁腹板分段个数、剪切复合许用应力与梁腹板分段个数之间的约束关系；根据梁腹板工作应力及轴压和剪切复合许用应力得到梁腹板的分段个数和梁缘条的分段个数；根据梁缘条的轴压载荷、惯性矩和梁腹板轴压和剪切复合许用应力，确定梁缘条截面长度。2.如权利要求1所述的可调节载荷的梁的设计方法，其特征在于，所述梁的端点载荷与梁几何尺寸约束关系为：其中，q
a
、q
b
、q
c
、q
d
为梁a、b、c、d端点垂直方向的载荷，f
a
、f
b
、f
c
、f
d
为梁a、b、c、d端点水平方向的载荷，l为梁长度，a为梁a、b端点距离，b为梁c、d端点距离。3.如权利要求2所述的可调节载荷的梁的设计方法，其特征在于：所述轴压载荷包括垂向载荷作用下的梁缘条轴压载荷和水平载荷作用下的梁缘条轴压载荷，所述垂向载荷作用下的梁缘条轴压载荷n1为：所述水平载荷作用下的梁缘条轴压载荷n2为：则轴压载荷n3为：n3＝n1+n2其中，t为梁腹板厚度，c为缘条截面长度。4.如权利要求2所述的可调节载荷的梁的设计方法，其特征在于，所述梁缘条惯性矩、轴压载荷n3和梁缘条分段个数的约束关系为：其中，n1为梁缘条分段个数，e为材料弹性模量。5.如权利要求1所述的可调节载荷的梁的设计方法，其特征在于：所述梁缘条截面长度
与梁缘条惯性矩之间的约束关系为：6.如权利要求4所述的可调节载荷的梁的设计方法，其特征在于，所述梁腹板轴压许用应力与梁腹板分段个数之间的约束关系为：所述梁腹板剪切许用应力与梁腹板分段个数之间的约束关系为：其中，μ为材料的弹性泊松比，n2为梁腹板分段个数，k
c
为轴压临界应力系数，k
cr
为剪切临界应力系数。7.如权利要求6所述的可调节载荷的梁的设计方法，其特征在于：所述梁腹板分段个数的计算公式为：所述梁缘条分段个数的计算公式为：8.如权利要求1所述的可调节载荷的梁的设计方法，其特征在于：所述梁缘条截面长度的计算公式为：

技术总结

本申请属于飞机结构设计技术领域，为一种可调节载荷的梁的设计方法，先通过梁的端点载荷与梁几何尺寸的约束关系确定梁腹板的长度，而后根据梁的几何尺寸和梁的端点载荷确定梁的轴压载荷与梁缘条截面长度之间的约束关系，根据欧拉公式及梁缘条轴压载荷得到梁缘条惯性矩、轴压载荷和梁缘条分段个数的约束关系，并通过代入典型条件下的标准参数来获得梁缘条的分段个数和梁腹板的分段个数，从而最终求得梁缘条截面长度。不需要按照经验进行结构的布局设计，仅需要根据实际的尺寸和载荷需求即可确定梁的具体结构设计，能够降低结构重量，提高结构性能，缩短设计周期。缩短设计周期。缩短设计周期。