一种飞机加筋板结构冲击动态响应缩比设计方法

本发明属于飞机结构/强度试验，具体涉及一种飞机加筋板结构冲击动态响应缩比设计方法。

背景技术：

1、加筋板结构具有质量轻、刚度大、力学性能良好等优点，被广泛地应用于飞机机身段、机翼和货舱等部位，其在冲击载荷作用下动态响应的研究十分重要。为了客观衡量客舱结构冲击安全性能，全机或机身段冲击试验是飞机安全设计中所必不可少的部分。然而飞机全尺寸原型冲击试验的成本高昂，试验条件苛刻，人力物力耗费巨大，往往难以实现全尺寸原型的相关试验验证，通过相似性方法设计小尺寸模型代替全尺寸结构试验，预测原型试验结果是一种有效的方法，近年来受到人们的青睐。目前公开的相似缩比模型设计方法有应用于复杂薄板结构、飞艇、列车等领域，这些方法都能够基于相似理论设计满足相似关系的缩比模型，实现对原型静力学响应和动力学特性的预测，而对于飞机加筋板结构这些公开的相似方法无法进行有效预测。

2、在实际工程应用中，还面临着一些无法避免的困境，飞机加筋板属于厚度远小于长度、宽度的一类薄壁结构，考虑到加工工艺和制造的困难，在缩比模型设计中，薄壁结构的厚度方向尺寸无法与面内尺寸按照同一个几何相似比例进行缩放，这就形成了几何畸变模型。目前在船舶领域加筋板结构缩比设计中的几何畸变问题提供了一些设计方法。但是这些方法主要集中于设计缩比模型评估加筋板结构屈曲特性，无法给出一种受冲击载荷作用的飞机加筋板结构从几何尺寸、冲击载荷到动态响应所涉及物理量的相似关系的系统性设计方法，因而对于飞机加筋板结构，尤其是在受到冲击载荷作用时，这些公开的相似方法同样无法进行有效预测。

3、因此运用相似理论设计飞机加筋板结构缩比模型，重点考虑加工工艺和制造的困难，进行几何畸变的缩比模型试验，缩短试验周期，同时提高几何畸变的缩比模型与全尺寸结构相似关系的准确性，降低缩比模型预测相对误差是本领域技术人员亟须解决的问题。

技术实现思路

1、要解决的技术问题：

2、为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种飞机加筋板结构冲击动态响应缩比设计方法，对于受冲击载荷作用的加筋板结构，根据相似理论，设计出能够反映原型真实的冲击力、位移等动态响应的缩比模型；该方法通过限定保证满足加筋板缩比模型和原型的相对刚度相等的条件，在缩比模型设计时可以灵活调整缩比模型的加筋板面板厚度、加强筋截面尺寸、加强筋数目以及加强筋材料，即能够克服飞机加筋板这类薄壁结构的几何厚度难以按几何相似进行缩放加工试验件这一实际困难，同时缩短了试验周期与规模，节约了成本。

3、本发明的技术方案是：一种飞机加筋板结构冲击动态响应缩比设计方法，具体步骤如下：

4、定义飞机加筋板的冲击载荷位置和冲击参数，及加筋板和其上加强筋的几何参数；

5、确定加筋板的动态屈服应力，并计算加筋板的相对刚度；

6、设计满足相对刚度不变的加筋板等效结构，即由两块平板叠加得到的双板结构；

7、定义加筋板缩比模型的基本几何相似比例；

8、确定加筋板面板厚度的相似比例；

9、确定加强筋的宽度、高度及相邻加强筋间距的相似比例；

10、得到加筋板缩比模型的几何尺寸；

11、获取加筋板缩比模型的动态响应；

12、根据动态响应的相似比例，加筋板缩比模型按照相似比例反推预测出原型的动态响应。

13、本发明的进一步技术方案是：所述飞机加筋板上表面受集中质量冲击载荷，冲击质量为g，冲击速度为v；加筋板的长度和宽度分别为l和d，面板的厚度为h，加强筋截面尺寸的高度和宽度分别为h和b，加强筋之间的间距为a。

14、本发明的进一步技术方案是：所述加筋板的相对刚度k的计算公式为：

15、本发明的进一步技术方案是：所述双板结构中上面板的长度、宽度、厚度与加筋板的长度l、宽度d、厚度h保持一致，其下面板的长度、宽度与加筋板的长度l、宽度d保持一致，下面板的厚度由加强筋等效决定，得到双板结构的等效厚度he为：

16、

17、本发明的进一步技术方案是：所述加筋板缩比模型的基本几何相似比例分别为：加筋板长度相似比例βl＝lm/lp、加筋板面板厚度相似比例βh＝hm/hp、加筋板宽度相似比例βd＝dm/dp、加强筋高度相似比例βh＝hm/hp、加强筋宽度相似比例βb＝bm/bp、加强筋之间的间距相似比例βa＝am/ap、相对刚度k相似比例βk＝km/kp、等效厚度he相似比例弹性模量相似比例βe＝em/ep、时间相似比例βt＝tm/tp、密度相似比例βρ＝ρm/ρp、加筋板质量相似比例βm＝mm/mp、冲击质量相似比例βg＝gm/gp、冲击速度相似比例βv＝vm/vp、位移相似比例βδ＝δm/δp、冲击力相似比例βf＝fm/fp、动能相似比例动态屈服应力相似比例其中，下标m表示缩比模型、下标p表示原型。

18、本发明的进一步技术方案是：所述等效厚度he相似比例、相对刚度k相似比例、加筋板面板厚度相似比例满足以下条件：

19、

20、其中，βk＝1时能够保证缩比模型的相对刚度k和原型的相对刚度k相等。

21、本发明的进一步技术方案是：所述加筋板缩比模型与原型之间几何尺寸的基本相似比例为β，其中βl＝βd＝β；受到缩比模型加工工艺限制，缩比模型的加筋板面板厚度直接选取可加工的最薄厚度，由此确定出加筋板面板厚度的相似比例βh，并且βh与基本相似比例β不相等。

22、本发明的进一步技术方案是：所述加筋板缩比模型的几何尺寸设计，在确定加强筋的宽度、高度及相邻加强筋间距的相似比例时，需保证βk＝1，则因此，加筋板平面内长度方向和宽度方向均能够单独灵活调整，布置不同几何尺寸和数目的加强筋；

23、或者，定义其中，为加筋板面板的动态应力相似比例，

24、为加强筋的动态应力相似比例，因此能够通过调整缩比模型加强筋的材料以完成加筋板的缩比设计。

25、本发明的进一步技术方案是：所述加筋板缩比模型的动态响应的计算方法为：首先，获取加筋板原型的冲击质量gp、冲击速度vp；然后，根据相似比例计算加筋板缩比模型所受的冲击质量gm＝gpβρβ2βh，初始冲击速度(vm)0＝(vp)0βv；最后，通过数值模拟或者试验，计算出加筋板结构缩比模型的冲击力fm、动能(ek)m、冲击速度vm以及位移δm。

26、本发明的进一步技术方案是：所述加筋板缩比模型按照相似比例反推预测出原型的动态响应的方法为：

27、确定动态响应的相似比例为βδ＝βh，

28、利用加筋板缩比模型计算得出的冲击力、动能、冲击速度以及位移；

29、根据相似理论，按照如下关系式反推预测出加筋板原形相应的冲击力f′p，动能(ek)′p，冲击速度v′p以及位移δ′p，公式如下：

30、f′p＝fm/βf；

31、(ek)′p＝(ek)m/βek；

32、v′p＝vm/βv；

33、δ′p＝δm/βδ。

34、有益效果

35、本发明的有益效果在于：本发明提出一种飞机加筋板结构冲击动态响应缩比设计方法，对加筋板面板厚度没有采用其他几何尺寸的相似比得到，而是根据现有的加工工艺，缩比模型的加筋板面板厚度直接选取可加工的最薄厚度，厚度发生几何畸变，进一步在保证加筋板相对刚度k的相似比例βk等于1的前提下，加强筋截面尺寸和加强筋数目都可以人为的调整，使得缩比模型中加强筋的尺寸发生几何畸变，不小于现有加工工艺的可加工的最小尺寸，以便于降低加工缩比模型的难度。此外，本发明在几何尺寸畸变的同时，缩比模型的加强筋材料也是可以调整的，不必与原型保持一致，为加筋板缩比模型设计提供了多种可供选择的方法。按照动态响应的相似比例关系，本发明设计出的缩比模型可以对原型的位移、速度、能量和冲击力这些动态响应进行预测，并且预测相对误差在工程中可接受的误差范围内，具有较好的相似性。

36、本发明利用缩比模型试验来代替原型试验，缩短试验周期，同时考虑到缩比试验件加工工艺和难度，缩比模型能够发生几何畸变，灵活调整加筋板面板厚度、加强筋的截面尺寸、数量以及材料，为受冲击载荷作用的飞机加筋板结构缩比设计提供了有用指导，具有广阔的工程应用前景。