(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 202111463728.4 (22)申请日 2021.12.0 3 (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 朱照泽　王呈呈　黄文超　刘可佳　 闫洪乐　徐君升　 (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 30/23(2020.01) G06F 30/15(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种复合材 料中央翼盒翼梁 优化设计方法 (57)摘要 本发明涉及一种复合材料中央翼盒翼梁优 化设计方法， 是一种民用运输机中央翼盒C型翼 梁优化及设计方法， 属于民用飞机复合材料结构 设计领域。 本发 明在设计中充分考虑工艺制造指 导意见， 快速迭代计算， 充分挖掘复合材料力学 性能潜力， 缩短 设计周期， 节约研发 成本。 权利要求书6页 说明书8页 附图2页 CN 114139422 A 2022.03.04 CN 114139422 A 1.一种复合材 料中央翼盒翼梁 优化设计方法， 其特 征在于， 步骤如下： 步骤(1)、 对中央翼盒进行有限元离 散仿真建模； 步骤(2)、 对步骤(1)建立的中央翼盒有限元模型施加载荷和边界条件； 步骤(3)、 计算中央翼盒有限元模型， 根据输出的 “.F06”文件提取 结构内载荷； 步骤(4)、 根据翼梁结构的受力特点， 分别设计对应的铺层库； 程序化经典层合板理论 公式， 得到所有铺 层对应的刚度矩阵、 等效弹性模量、 泊松比； 步骤(5)、 中央翼翼梁各BAY梁腹板、 梁缘条、 加筋结构的载荷确定： 依据 步骤(3)得到的 总体有限元计算结果数据， 针对梁腹板、 梁缘条、 加筋不同结构单元初始尺寸和不同失效模 式计算的需求， 对载荷进行二次分配 计算； 步骤(6)、 翼梁各 结构失效模式设计许用值计算； 步骤(7)、 根据步骤(5)和步骤(6)的结果计算翼梁各个BAY结构的安全裕度， 当各个结 构失效模式安全裕度都大于0时， 说明结构设计满足强度和刚度要求； 当安全裕度小于0时， 通过调整水平加筋、 垂直加筋、 梁腹板和缘条尺寸， 以及各结构铺层， 保证所有结构单元安 全裕度大于 0； 步骤(8)、 对于整体成型的翼梁结构， 翼梁缘条铺层布置和相邻腹板区域层合板丢层最 大斜率比为： 主承力 方向1： 20， 其他任何方向1： 10； 在步骤(7)计算得到满足强度和刚度要 求的初始尺寸之后， 梁腹板厚度水平加筋、 垂 直加筋还应满足连接区厚度要求， 如不满足要 求， 则对铺 层进行调整； 步骤(9)、 中央翼结构设计需要满足重量要求； 若设计得到的初始尺寸不满足重量要 求， 需要循环进行步骤(1) ‑步骤(8)， 调整铺 层及尺寸， 直至满足结构重量要求 为止； 所述的步骤(1)中， 建模准则如下： (1.1)考虑到实际服役中飞机中央翼前后梁、 肋以及重要连接结构与上下壁板共同参 与到整个中央翼结构的载荷传递， 并且相互影响， 所以分析用有限元模型采用中央翼整体 盒段结构； (1.2)整体有限元建模参考坐标系需要与结构数模全机坐标系保持一致； 并采用和 实 际产品一样的单位制； (1.3)为避免节点和单元重 复， 提取载荷方便、 有限元建模时应采用具有一定规则的数 字编号分配给节点和单 元； (1.4)针对结构构型， 对非承力结构进行判断并舍弃； 根据结构件的承载特性， 将主承 力结构进行合理简化； 中央翼翼梁腹板可以承受拉伸、 压缩、 弯曲和剪切， 故简化为板壳单 元CQUAD4， 梁缘条和水平加筋、 垂直加筋可以承受轴向拉、 压、 弯载荷， 简化 为梁单元CBAR； 所述的步骤(2)， 具体如下： 将中央翼盒与外翼模型对接完毕后， 在对称面上进行约束， 在外翼肋站位节点上施加 惯性载荷、 气动载荷， 保证中央翼盒承受来自外翼的弯 矩、 部分扭矩和部分剪力； 所述的步骤(3)， 具体如下： (3.1)翼梁在加筋与肋的支持下， 简化为四边简支的矩形板， 受到轴向拉伸或压缩载荷 以及面内的弯曲和剪切载荷； 强度分析 所用的内载荷来自有限元模型计算单 元结果文件； 对于缘条、 肋、 水平加筋围成区域的腹板承受的压缩载荷， 通过提取缘条和水平加 筋单 元的载荷， 计算其工作应变， 保守假定缘条工作应变等于腹板工作应变， 推导出上下腹板的权　利　要　求　书 1/6 页 2 CN 114139422 A 2压缩载荷； 其中： εUC——BAY区上缘条工作应 变； PxUC——BAY区上缘条工作载荷； AUC——BAY区上缘条面积； ExUC——BAY区上缘条弹性模量； ——BAY区梁腹板轴向载荷； tweb——BAY区梁腹板厚度； Exweb——BAY区梁腹板弹性模量； 对于水平加 筋与肋围成区域的腹板承受 的弯曲载荷， 通过取上下缘条压缩应变的最小 值， 根据几何位置关系， 推导出上下水平加筋 位置的工作应变， 进而求得腹板单元的弯曲载 荷， 具体公式如下： Nweb_b＝ εH_stiff*A11 其中： Nweb_b——BAY区翼梁弯曲载荷； εH_stiff——BAY区内水平加筋工作应 变； A11——BAY区翼梁的弯曲刚度； 对于腹板上的剪切载荷， 选取翼梁的CQUAD4单元的单元力进行分析， 若一个BAY区包含 n个SHELL单元， 选取n个SH ELL单元力的平均值分析失效模式， 具体公式如下： 其中： Nxy——BAY区翼梁内载荷； Pxy——BAY区内个Shel l单元内载荷； n——BAY区Shel l单元总个数； (3.2)肋与垂直加筋之间的梁缘条在整体有限元模型中若包含n个梁单元， 计算缘条稳 定性失稳时取n个单 元轴力的平均值， 计算应 变破坏时取n个单 元轴力的最大值； 相同BAY之间水平加筋和垂直加 筋在整体有限元模型中若由n个梁单元构成， 计算加 筋 稳定性失稳时取对应n个单元轴力的平均值， 计算应变破坏时取对应n个单元轴力的最大 值； 所述的步骤(5)， 具体如下： (5.1)对于加筋与梁腹板组成组合剖面整体柱失稳分析， 施加载荷应采用对应加筋单 元的轴力和两侧梁腹板单 元的部分载荷之和， 其工作载荷计算公式为： 其中： Pstcolumn——柱屈曲总合力；权　利　要　求　书 2/6 页 3 CN 114139422 A 3