(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111328967.9 (22)申请日 2021.11.10 (71)申请人 中航沈飞民用飞机有限责任公司 地址 中国 （辽宁） 自由贸易试验区沈阳片区 创新二路33号 (72)发明人 毛磊凯　魏士礼　陶金库　朱照泽　 徐丹　葛春生　柴宝　 (74)专利代理 机构 大连理工大 学专利中心 21200 代理人 李晓亮 (51)Int.Cl. G06F 30/15(2020.01) G06F 30/23(2020.01) G06F 113/26(2020.01) G06F 113/28(2020.01)G06F 119/18(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种基于修形的复合材料格栅加筋后压力 框综合优化设计方法 (57)摘要 一种基于修形的复合材料格栅加筋后压力 框综合优化设计方法， 包括： 1)确定球皮与机身 连接方案； 2)球面框拱高分析确定拱高取值范 围； 3)计算球皮最小厚度； 4)确定曲面修形方案， 对不同球面框修形方案进行曲面质量分析和力 学性能评估； 5)设计格栅加筋方案； 6)铺层优化 分析， 确定铺层角度差和铺层顺序； 7)引入系统 开口， 调整格栅加筋； 8)引入冲击分层损伤， 开展 模拟损伤仿真分析； 9)引入两跨裂纹， 进行剩余 强度分析； 10)若方案不满足重量指标， 需循环步 骤1)‑9)， 对方案继续优化， 直到满足重量指标。 本发明基于修形的球皮结构， 在综合考虑多个设 计要素基础上， 能够得到优化的后压力框结构方 案， 方法简单 可行。 权利要求书3页 说明书6页 附图4页 CN 113987689 A 2022.01.28 CN 113987689 A 1.一种基于修形的复合材料格栅加筋后压力框综合优化设计方法， 其特征在于， 包括 以下步骤： (1)确定球皮与机身连接方案； 在修形球皮的条件下， 采用权衡分析方法对球皮与机身连接采用内接或外接方案进行 分析， 进而确定连接方案； (2)球面框拱高分析， 确定拱高取值范围； 以总体外形设计为输入， 在固定的机身半径 Rfus基础上， 基于结构、 强度的设计要求， 确 定球皮拱高h的取值范围， 确定角度取值范围进行强度评估， 分析应力趋势， 综合考虑结构 布置、 结构重量、 制 造工艺性、 装配及维修维护的可达性或其他设计约束条件， 最终确定球 皮拱高h、 角度 拱高h的计算公式为： 其中， h为球皮拱高， Rfus为机身半径， 为后压力框与机身角度； (3)计算球皮最小厚度； 基于后压力框强度设计要求以及后压力框承载特点， 球皮除要满足膜应力要求外， 还 需满足AC20 ‑107B关于疲劳及损伤容限的要求及冲击条件下的气密要求， 结合复合材料铺 层设计原则和参考机型数据确定球 皮厚度取值范围； 根据应力控制要求， 在极限载荷下， 球 皮的设计应力必须小于其材料拉伸许用应力[σ ]， 因此， 当σ ＝[σ ]时， 最小的球皮厚度计算 公式为： 其中， tmin为膜应力控制下的球皮最小厚度， ΔPRVS为2倍增压载荷， R为球皮半径， [σ ]为 材料拉伸许用应力； (4)确定曲面 修形方案， 对不同球面框修形 方案进行曲面质量分析和力学性能评估； 基于步骤(2)和步骤(3)选定的拱高和最小厚度， 对不同修形方案进行曲面质量分析和 正压工况下的静力分析， 并对比球 皮应变、 连接区应变及钉载荷情况， 对不同方案进 行初步 评估； (5)设计格栅加筋方案， 进行工艺性分析、 正压载荷静力分析和负压载荷稳定性分析； 基于步骤(4)选定的曲面外形， 对格栅尺寸、 径向和环向/正交格栅加筋方案、 加筋连续/均 布方案进行分析； 格栅尺寸计算公式为： 其中， Pcr为负压载荷， E为材料等效弹性模量， δ为球皮厚度， R为球皮半径， K1为支持系 数， a0为格栅边长； 径向和环向/正交格栅加筋对比分析： 对两种方案进行工艺性分析， 并基于强度有限元 分析平台对径向和环向&正交格栅加筋两种方案进行静强度分析和稳定性评估， 分析多个 方案负压载荷下的线性和非线性稳定性， 确定稳定性分析 方法和优选加筋方案；权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 113987689 A 2加筋连续方案/均布方案对比分析： 对两种方案进行静强度分析和稳定性评估， 确定优 选加筋方案； (6)铺层优化分析， 确定铺 层角度差和铺 层顺序； 综合考虑结构边界外形、 材料变形性能和工艺参数或其他因素， 给出初始铺层设计方 案， 对不同铺层角度差的正交/径环格栅加筋结构进 行2P工况下的静强度分析， 对比不同铺 层方案的应变分布及位移变形情况； 通过负压载荷工况下 的稳定性分析， 初步确定铺层角 度差； 并对选定的角度差， 评估不同铺层顺序 的弯曲刚度分布； 所述工艺参数包括最大转 角、 行程及速度； (7)引入系统开口， 调整格栅加筋； 增加环控、 泄压、 管路开孔对格栅加筋进行设计优 化； 开展静力分析和稳定性评估， 优化 开口补强方案； (8)引入冲击分层损伤， 开展模拟损伤仿真分析； 通过刚度弱化方法模拟损伤， 分别布 置损伤位于线性稳定性薄弱位置和非线性稳定性薄弱位置， 进行 稳定性评估； (9)引入两跨裂纹， 进行剩余强度分析； 采用Mar ‑Lin模型描述剩余强度， 利用双自由度 参数降低敏感性并确保模型的外推 应用性， Mar ‑Lin模型见下面公式： 其中， 为含裂纹的无限宽板剩余强度； Hc为复合材料断裂韧性； n为裂纹尖端奇异性 指数； a为半裂纹长度； (10)若方案不满足重量指标， 需循环步骤(1) ‑(9)， 对方案继续优化， 直到满足重量指 标。 2.根据权利要求1所述的一种基于修形的复合材料格栅加筋后压力 框综合优化设计方 法， 其特征在于： 所述步骤(1)中内接方案为球 皮通过“Y”型材零件 先与机身框结构连接， 再 通过支撑结构与机身蒙皮相连接； 外接方案为球皮结构通过 “Y”型材零件直接与机身蒙皮 相连接。 3.根据权利要求1所述的一种基于修形的复合材料格栅加筋后压力 框综合优化设计方 法， 其特征在于： 所述 步骤(3)中球皮最小厚度需要结合 三方面因素综合确定： 1)球皮应满足膜应力要求； 2)球皮应满足AC20 ‑107B关于疲劳及损伤容限的要求； 3)球皮应满足冲击条件下的气密要求。 4.根据权利要求1所述的一种基于修形的复合材料格栅加筋后压力 框综合优化设计方 法， 其特征在于： 所述步骤(4)中修形曲面分为球冠顶部旋转面和底部的过渡曲面， 以后压 力框站位面处机身理论外形的包络圆圆心为基准点， 在机身对称面上通过控制与该基准点 的偏移距离作球皮曲面的中心点， 并通过中心点作平行于 机身轴线的直线作为旋转轴线。 5.根据权利要求1所述的一种基于修形的复合材料格栅加筋后压力 框综合优化设计方 法， 其特征在于： 所述步骤(5)中格栅边长a0为一个范围值， 取决于修形曲面的球皮半径范 围。 6.根据权利要求1所述的一种基于修形的复合材料格栅加筋后压力 框综合优化设计方 法， 其特征在于： 所述步骤(6)中各层之间的角度差等于π/N， 其中N为大于等于3的整数， 层权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 113987689 A 3