一种飞机耳片参数化设计方法与流程

本发明属于飞机结构设计技术，具体涉及一种飞机耳片快速参数化设计方法。

背景技术：

飞机结构设计中，传递集中载荷的部位有大量采用耳片接头连接的结构形式。比如机身与尾翼连接的背鳍连接接头、升降舵的舵面连接接头等。耳片的尺寸参数是否合理直接决定了耳片的承载能力、重量、制造工艺及成本。

然而目前耳片设计主要是设计师依据设计经验，进行反复尺寸参数调整、查飞机设计手册相关图表及公式进行计算等，缺乏系统的参数优化设计手段，往往单个参数的修改，对其它参数带来不确定的影响，很难进行预测，因此各参数之间协调优化难度大，设计周期长，工作量大、重复性工作多，设计成本偏高且设计过程不直观、设计中的错误也不容易发现。所以，迫切地需要一种高效、简洁的参数设计方法。

技术实现要素：

本发明的目的是：提出一种高效、简洁、可靠的飞机耳片参数化设计方法。

本发明采取的技术方案为：一种飞机耳片参数化设计方法，对耳片各项特征参数进行分析，确定出驱动参数和从动参数；将驱动参数中的重要参数确定为耳片关键参数及耳片参数因子，搭建耳片关键参数与耳片参数因子、耳片承载效率系数、耳片强度性能之间的数学模型；设置驱动参数初始值，通过驱动参数与从动参数的几何关系快速得到从动参数值；根据从动参数中的安全裕度是否满足强度设计目标，进行耳片关键参数迭代优化，直至得到满足强度性能的耳片设计方案。

所述的飞机耳片参数化设计方法，其包括如下步骤：

步骤1：确定设计目标相关的参数

对耳片按结构特点将参数分为不同级别，进而对各项特征参数进行分析，确定出驱动参数和从动参数；

步骤2：选取某一耳片驱动参数作为耳片关键参数，其它驱动参数作为耳片参数因子，建立其与耳片的承载效率系数之间的关系，搭建耳片关键参数及耳片参数因子与耳片强度性能之间的模型；

步骤3：给驱动参数初始值，运用步骤2驱动参数与从动参数的关系快速得到从动参数。

步骤4：判定安全裕度是否满足强度设计目标，若不满足强度设计目标，重复步骤3、4，直至满足强度设计目标为止。

步骤5：得到满足强度设计的耳片后，通过微调耳片关键参数，快速实现耳片设计的进一步修正优化。使耳片结构重量较轻。

步骤6：通过步骤5，确定满足强度及结构重量的耳片尺寸，通过catia软件参数化设计，实现准确、快速、可靠的得到满足需求的耳片模型。

耳片的驱动参数包括耳孔直径、耳片高度至少其一。

耳片参数与耳片强度性能之间的关系：

(1)耳片承受轴向载荷

当耳片承受轴向载荷时，根据耳片剪切－挤压破坏要求，耳片的剪切－挤压效率系数kbr与p相关联，得到耳片关键参数p与kbr、kt的关系式：

kbr＝-0.2516p³+0.2796p²+0.9865p+0.0953

kt＝-0.006p⁴+0.065p³-0.244p²+0.336p+0.845

其中，kbr—剪切挤压效率系数；

p—耳片关键参数，p为评价耳片设计水平的重要参数；

kt—拉伸效率系数；

(2)耳片承受横向载荷

当耳片承受横向载荷时，耳片的横向极限载荷效率系数ktru，耳片的横向屈服载荷效率系数ktry为判断基础，其极限载荷和屈服载荷必须考虑耳片的形状，得到了耳片参数p与ktru、ktry的关系式；

ktru＝-0.2414p³+0.2696p²+0.9465p+0.0955

ktry＝0.330p³-1.045p²+1.141p+0.102

其中，ktru—横向极限载荷的效率系数；

ktry—横向屈服载荷的效率系数；

(3)耳片关键参数与强度性能之间的关系

迭代耳片关键参数，使得到耳片的安全裕度满足耳片强度性能设计要求。

迭代耳片关键参数p与耳片参数：最小径向截面宽度b，耳片厚度t，耳片宽度w，截面比s之间的关系：

b＝p²*d/(s-0.8)

t＝p*d/s

w＝(((sqrt(2)/4*`d`*tan(90-`β`))+((0.5*`d`+b)*sin(90-`β`)*tan(90-`β`)))+(((0.5*`d`+b)*cos(`β`))))*2

其中，d—耳孔中心到边缘距离，单位mm；β—耳片角度，单位角度；p—耳片关键参数；s—截面比，s≥3.3；b—最小径向截面宽度，单位mm；t—耳片厚度，单位mm；w—耳片宽度，单位mm。

有益效果：本发明耳片参数化建模方法建立耳片关键尺寸因子与耳片尺寸参数、耳片强度性能之间的关系，通过迭代耳片关键参数因子，快速得到满足强度性能和使用需求的耳片相关尺寸参数，具有易于实施，结果可靠，能够极大的提高耳片设计效率和质量，有效解决了现有技术耳片快速设计繁琐，设计周期长的问题，具有极大的实际应用价值。

附图说明

图1为本发明耳片参数化设计流程示意图；

图2为耳片尺寸示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图来进一步说明本发明的具体实施方式。

请参阅图2，本发明飞机耳片参数化设计的方法过程如下：首先，对耳片各项特征参数进行分析，确定出驱动参数和从动参数；其次，将驱动参数中的重要参数确定为耳片关键参数及耳片参数因子，建立其与耳片的承载效率系数之间的关系，搭建耳片关键参数及耳片参数因子与耳片强度性能的数学模型；再次，设置驱动参数初始值，通过驱动参数与从动参数的几何关系快速得到从动参数值。判定从动参数中的安全裕度是否满足强度设计目标，若不满足强度设计目标，则进行重置耳片关键参数，迭代优化，直至满足强度设计目标为止。最后，得到满足强度设计的耳片后，微调耳片关键参数，快速实现耳片设计的进一步修正优化，得到使确定满足强度且结构重量较轻的耳片设计方案。运用catia软件参数化设计，实现准确、快速、可靠的得到满足需求的耳片模型。

实例1：

设计一个单耳片，如图2所示，耳片内外圆心同心，耳片厚度为等厚。耳片材料为7050-t7451。耳片所受的横向极限载荷f为15133n。耳片高度h为30mm。强度裕度值小于0.2且大于0。

确定一个单耳片具备合理尺寸，强度裕度值小于0.2且大于0，耳片结构重量较轻。且参数化设计便于通过catia快速建模。

具体实施方式包括以下步骤：

步骤1：确定设计目标相关的参数

对耳片结构特征参数进行分析，确定出驱动参数和从动参数；

驱动参数：

h—耳片高度，单位为mm。

d—耳片孔直径,单位为mm。

p—耳片关键参数。p为评价耳片设计水平的重要参数。

s—s≥3.3，为截面比。

ftuy——耳片材料晶粒横向极限拉伸强度，单位为mpa。

fty,y——耳片材料晶粒沿横向的拉伸屈服应力，单位为mpa。

ρ——材料密度，单位为g/cm³

从动参数：

d—耳孔中心到边缘距离，单位为mm

β—耳片角度，单位为度数。

b—最小径向截面宽度，单位为mm。

t—耳片厚度，单位为mm。

w—耳片宽度，单位为mm。

n—耳片宽度和耳孔直径比。

ktru——横向极限载荷效率系数。

abr——耳片挤压面投影面积，单位为mm²。

aav——局部横截面面积的平均值。

ktry——横向载荷(屈服)的效率系数。ktry是关于abr和aav的参数。

a1、a2、a3、a4孔周围径向截面的面积，单位为mm²。

v—零件体积，单位为m³。

m—零件重量，单位为kg。

步骤2：选取耳片驱动参数h、d、s为耳片关键参数因子，p为耳片关键参数，分别搭建耳片关键参数与承载效率系数及耳片强度性能之间的关系。

(1):耳片驱动参数与耳片关键参数因子之间的关系：

b＝p²*d/(s-0.8)

t＝p*d/s

w＝(((sqrt(2)/4*`d`*tan(90-`β`))+((0.5*`d`+b)*sin(90-`β`)*tan(90-`β`)))+(((0.5*`d`+b)*cos(`β`))))*2

其中，d—耳孔中心到边缘距离，单位mm；β—耳片，单位角度；p—耳片关键参数；s—截面比，s≥3.3；b—最小径向截面宽度，单位mm；t—耳片厚度，单位mm；w—耳片宽度，单位mm。

(2)：耳片关键参数p与耳片强度性能之间的关系:

i.确定横向载荷时挤压破坏极限载荷ptru：

ptru＝ktru·ftu,y·abr

其中，ktru—横向极限载荷效率系数

ktru＝-0.2414p³+0.2696p²+0.9465p+0.0955

ftuy—耳片材料晶粒横向极限拉伸强度。

abr—耳片挤压面投影面积

abr＝dt。

ii.确定横向载荷时许用屈服载荷py：

py＝ktry·fty,y·abr

其中：

py——耳片的许用屈服载荷；

abr——挤压面投影面积；

fty,y——耳片材料晶粒沿横向的拉伸屈服应力；

ktry——横向载荷(屈服)的效率系数。ktry是关于abr和aav的参数。

ktry＝0.330p³-1.045p²+1.141p+0.102

iii.耳片在横向载荷作用下地安全裕度：

m.s——为安全裕度

pcr——min(ptru，py)，取挤压破坏极限载荷ptru与许用屈服载荷py两者中的最小值。

步骤3：给驱动参数(耳片关键参数、耳片参数因子)初始值，运用步骤二驱动参数与从动参数的关系快速得到从动参数。

驱动参数：

耳片关键参数初始值:p＝1.165

耳片参数因子初始值:h＝30mm、d＝15mm、s＝3.3

ftuy＝423mpa

fty,y＝327mpa

ρ＝2.8×10^-9g/cm³。

从动参数：

d＝30mm、β＝65°、b＝22.5mm、t＝3mm、w＝60.5mm、n＝4、ktru＝1.15、abr＝90mm²、aav＝121mm²、ktry＝0.534、a1＝137mm²、a2＝105mm²、a3＝92.3mm²、a4＝137mm²、v＝3.97、ρ＝2.8、m＝1.2kg、m·s＝1.87。

步骤4:判定安全裕度是否满足强度设计目标，若不满足强度设计目标，重复步骤3、4，直至满足强度设计目标为止。

m·s＝1.87<2，满足强度设计目标。

步骤5:得到满足强度设计的耳片后，通过微调耳片关键参数，快速实现耳片设计的进一步修正优化。使耳片结构重量较轻。

迭代1：当p＝1.2时，m·s＝1.87<2，满足强度设计目标。此时重量m为1.2kg。

迭代2：当p＝0.88时，m·s＝0.13<2，满足强度设计目标。此时重量m为0.59kg。

迭代3：当p＝1.1时，m·s＝0.97<2，满足强度设计目标。此时重量m为1.1kg。

迭代4：当p＝0.87时，m·s＝0.05<2，满足强度设计目标。此时重量m为0.67kg。

迭代5：当p＝0.95时，m·s＝0.43<2，满足强度设计目标。此时重量m为0.76kg。

步骤6:通过步骤5，确定满足强度及结构重量的耳片尺寸，通过catia软件参数化设计，实现准确、快速、可靠的得到满足需求的耳片模型。

i.确定p为0.88，此时重量m为0.59kg，相对较小。

ii.耳片相关尺寸h＝30、d＝15、d＝30mm、β＝76°、b＝15mm、t＝3mm、w＝63mm。

iii.将耳片尺寸通过catia软件参数化设计，得到满足需求的耳片模型。

综上所述，本发明飞机耳片参数化设计的方法，通过耳片关键参数的优化设计，可以实现耳片快速设计，能够满足工程设计的需要，同时能够缩短耳片设计周期，提高了效率，降低生产成本，有效保证了耳片模型的准确性和可靠性，为飞机耳片设计提供了有力的工具。