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固体力学专业课程设计 飞机带孔蒙皮局部应力 优化设计课程报告 学号： 姓名： 指导老师： 飞机蒙皮的作用是维持飞机外形，使之具有很好的空气动力特性。蒙皮承受空气动力作用后将作用力传递到相连的机身机翼骨架上，受力复杂，加之蒙皮直接与外界接触，所以不仅要求蒙皮材料强度高、塑性好，还要求表面光滑，有较高的抗蚀能力。 经过精细加工的飞机蒙皮会具有较好的力学性质，保证飞机能够顺利完成飞行任务。但是，由于实际情况的制约，飞机的蒙皮面临着接合和装载其他部件的情况，这就会在蒙皮上打各种各样的孔，用于铆接和安装其他的飞机部件。在这样的情况下，如果蒙皮受到不同方向的各种力作用，其性能会有所下降，因为在蒙皮的孔边会发生应力集中的现象。 受力弹性平面板具有小孔，则孔边的应力将远大于无孔时的应力，也远大于距孔稍远处的应力，这种现象称为孔边应力集中。应力集中现象时局部现象。在几倍与孔径外，应力几乎是不受孔的影响的，应力的分布情况以及数值都与无孔时相同。一般来说，集中的程度越高，集中现象越是局部性的，也就是说应力随着与孔的距离增大而越快的趋近于无孔时的应力。集中的程度，首先与孔的形状有关，圆孔的集中程度最低。同时集中系数也和孔的直径大小有关，这次实验基于ANSYS平台，通过数值实验的方法，研究不同板宽，不同孔径的孔边应力集中问题，并与弹性力学的解析解进行比较，研究其中的关系。 主要讨论的问题有： 1、 矩形带孔蒙皮应力集中优化设计； 2、 梯形带孔蒙皮应力集中优化设计； 3、 长圆孔双向载荷蒙皮应力集中优化设计； 蒙皮的已知固定参数 （1）载荷形式和大小：沿蒙皮构件边界的均布载荷 （2）设计参数： 飞机带孔蒙皮局部应力优化设计参数列表 蒙皮 蒙皮厚度t（mm） 3 蒙皮弹性模量（MPa） 70 蒙皮泊松比 0.3 蒙皮宽度w（mm） 100 蒙皮长度L（mm） 300 孔 孔径D（mm） 40 孔心位置（mm） 随三个问题而变 1.带孔蒙皮应力集中以及减小应力集中系数的研究： 研究背景：蒙皮是飞机上最常见也最重要的部分之一，应该说一架飞机如果没有蒙皮就不能被称为飞机，而仅仅是一个骨架，当前飞机上多采用整块大面积蒙皮，而在蒙皮上打孔是十分常见的现象，蒙皮下有需要经常检修的设备、受油孔、外挂辅助设备等等都需要在蒙皮上打尺寸、数量不同的孔，而由这些孔引起的应力集中则会影响蒙皮的使用寿命，严重时会导致蒙皮失效变形、造成机毁人亡的事故，研究如何减小应力集中的现象，探讨各种方法是这次设计的目的之一。矩形板大致如图1所示，为了优化其应力状态，减小其最大应力集中系数，可以改变板的大小，也可以改变孔的直径的大小，还可以保持原来的数据不变，在班上添加其他的孔，槽，或者在原来的孔周围加固。 模型设计及网格划分图： 固定孔在矩形板中心，坐标为（150,75），在划分网格时由于网格过密会导致计算量较大，耗时较久，因此采用应力集中区细致划分，外围划分较为宽大，结果表明，应力显示十分对称，效果较好。 蒙皮的加载情况： 如图所示，该情况为一边固定，另一边仅受横向上的单向载荷，加载方案为在右侧边上施加大小为1的匀布载荷，在为保证受力及变形对称，故仅对左侧边施加X向的自由度限制，结果表明，效果较好，应力分布很对称。 （1） 蒙皮宽度的影响 300*100 孔径40 300*150 孔径40 蒙皮宽度并不能够随着设计者的意愿而改变，否则根据减小应力集中的原则来看，一定是蒙皮宽度越大，应力集中系数越小，这是因为在相同的孔径下，由于是单向载荷，所以蒙皮宽度越大，代表载荷在孔边缘的影响越小，则应力集中系数一定越小。 （2） 孔径大小的影响 结论： 在变化相当大的范围内，可以看出孔径大小对应力集中系数的影响还是比较大的，但是在实际设计中不可能会出现工作孔变化十分大的情况，而根据已有的资料，在小范围内改变孔径对应力集中系数的影响并不大，因此在实际设计中，改变孔径是可选的一种方法，在不影响使用的前提下，孔径越小越好。（当 时，应力集中系数经历一个由无穷大趋向于有限值的过程。当 小于2时，集中系数趋向于无穷大，此时集中系数无意义，因此此时的孔径大于等于板宽，工程上很少见。 时，集中系数的数值解时稳定的，因为此时的孔径会越变越小，工程上不允许。进一步得到：三组实验的稳定k值均满足 ，此时的孔径特征尺寸在工程上很常见，此时变化的板宽与变化的孔径之间的尺寸关系满足 ，才有意义，为孔径与宽度之比。） （3） 在纵向上，附加孔的直径和位置会存在某种耦合关系，为了用最简便的方法来得到最优化的方案，采用控制变量来逼近的方法，即： （1）先固定附加孔的位置，变化其孔的半径，得到SMX最小的半径。 （2）固定孔的半径，变化孔的位置，再一次得到SMX