摘要：针对带开孔翼梁腹板的结构稳定性，利用PCL编写带开孔的复合材料翼梁结构的参数化建模程序，分析2种开孔位置对结构稳定性的影响.结果表明圆形开孔与翼梁根部的距离以及水滴形孔与圆形开孔的距离对结构稳定性影响明显：屈曲因子随圆形开孔离翼梁根部距离的增大先增大、后减小；屈曲因子随着水滴形孔与圆形孔距离的增大而单调减小；水滴形孔与下壁板的距离对结构稳定性影响不大.在保证结构稳定性和最大应变小于设计值的前提下，确定水滴形孔与下壁板之间的最小距离.
关键词：参数化建模；翼梁；腹板；开孔；复合材料；屈曲因子；有限元；PCL
中图分类号： V214.1；TB115.1 文献标志码： B
Parametrization modeling and analysis on
spar web with cutouts based on PCL
Bataxi, YU Zhefeng, CAO Xiang, WANG Hai
（School of Aeronautics and Astronautics, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China）
Abstract：
To ensure the structure stability of spar web with cutouts, a parametrization modeling program is developed for composite spar structures with cutouts by PCL, and the effect of two different cutout positions on structure stability is analyzed. The results indicate that the distance between circle cutouts and spar root and the distance between teardropshaped cutouts and circle cutouts have significant effect on structure stability, that is, the buckling factor firstly increases and then decreases with the increase of the distance between circle cutouts and spar root, and monotonously decreases with the increase of the distance between teardropshaped cutouts and circular cutouts; the distance between teardropshaped cutouts and lower wing panel has a little influence on structure stability. Satisfying with the structure stability and the maximum allowable strain, the minimum distance between teardropshape cutouts and lower panel is determined.
Key words：
parametrization modeling; spar; web; cutout; composite; buckling factor; finite element; PCL
0 引 言
在多梁机翼结构中，由于使用的要求(如保证油路和电路通过、工艺施工、检查维修以及设备安装等)，不可避免地要在翼梁腹板上布置各种类型和尺寸的开孔.翼梁通常为受剪板式薄壁结构，开孔相当于在受剪薄板上增加自由边界，破坏受剪薄板的传力路线.对于复合材料层压板，开孔切断板的纤维，破坏板的整体和局部完整性，为保证结构的承载能力，需进行开孔补强.由于开孔补强措施的不同，开孔补强设计也相异，国内外都对复合材料开孔补强区的强度进行理论和实验研究[12].补强的方式多样，在实际结构设计中常使用补片补强和立柱补强[3].在压缩和剪切载荷作用下，开孔位置和开孔大小对复合材料的稳定性有显著影响.[4]同时，薄板结构的稳定性设计比强度设计更重要.[5]通常，翼梁腹板的开孔有2种形式：(1)用于电缆通过的圆形孔；(2)用于燃油在油箱间流通的水滴形孔.由文献［6］和［7］可知，不同的开孔形状对结构的强度以及稳定性影响不同，有必要研究复合材料层压板开孔.
在结构初始设计阶段，需从稳定性角度考虑开孔位置，对于不规则几何外形和开孔布置的结构，可用有限元法分析其稳定性.对于开孔参数很多的情况，确定合适方案需要进行大量的建模工作，而利用参数化建模方法将开孔位置设置为可变参数，通过不断修改参数可快速得到多种结构布局的模型，极大地提高结构选型效率.
本文用PCL建立带开孔的复合材料翼梁参数化有限元模型，利用有限元计算结果分别研究2个开孔位置对结构稳定性影响的规律；在保证结构稳定性和最大应变小于设计值的前提下，确定水滴形孔与下壁板之间的最小距离.
1 PCL参数化建模简介
参数化建模用一组参数来定义几何图形尺寸并约束尺寸关系，形成几何造型，进而生成有限元模型进行应力分析和设计优化，其思想是用几何约束、数学方程与关系说明产品模型的形状特征，从而得到一组在形状或者功能上具有相似性的设计方案[8].
PCL是MSC Patran 中一个高级、模块化结构的编程语言和用户自定义工具.[9]使用PCL可改进或者创建新的MSC Patran功能，为特定的应用程序创建用户界面和数据库，能调用MSC Patran内的所有函数和MSC Patran外的可执行文件.
在MSC Patran中进行有限元建模时会生成许多文件，其中的.ses为对话文件，记录本次从MSC Patran打开到退出期间所有的对话过程，整个文件由PCL函数组成.实际上，MSC Patran的建模过程是一组命令的执行过程，对话文件中就保存这些命令，可将PCL与对话文件结合起来，通过调用对话文件实现参数化建模.
为实现参数化建模，解决建模过程中的重复操作，需要先建立一个基础的有限元模型，将建模过程记录在对话文件中；然后对该基础模型生成的对话文件进行必要的修改(在文件中增加变量声明，将需要变化的数据用变量替换)，从而实现对结构的参数化建模.
2 结构建模
2.1 结构说明
以复合材料多梁翼盒中一种带开孔翼梁结构为研究对象，翼梁长1 500 mm，根部高300 mm，端部高200 mm.在翼梁腹板的纵向中部设有2个圆形孔，便于电缆通过.为加强局部强度和刚度，在孔的周围设有圆环形补强片；在腹板下侧接近下壁板处有2个水滴形孔，方便燃油在空腔之间流通.翼梁右端受向上的载荷，由于向上的过载远大于向下的过载，水滴形孔右边缘主要受到压力，为防止局部失稳，在水滴形孔右边缘设计L截面形补强片.带开孔翼梁结构见图1.
在有限元建模过程中，需对实际结构进行一定的简化.梁腹板由二维SHELL（QUAD 4）单元模拟.腹板上、下凸缘和端肋立柱用杆(ROD)单元模拟，杆的横截面面积为500 mm2.在参数化建模时，将整个腹板建立成一个面，在各补强区域分别建立面，以便划分网格和设置属性.边界条件为翼梁根部上、下2点固支，四周的杆单元约束垂直面的位移.端部受一个向上的集中力，大小为37 000 N.翼梁结构有限元模型见图2.
2.3 参数化设置
为研究圆形孔和水滴形孔位置对梁腹板稳定性的影响，将圆形孔到根部的距离
A和水滴形孔与圆形孔之间的距离B设为参数变量.为保证燃油的流动性以充分利用燃油，水滴形孔位置需尽量靠近下机翼的下壁板，将水滴形孔与下壁板之间的距离C也设为参数变量（见图1）.另外2个孔距离下壁
板位置恒定，不考虑其相关参数变化.
调整A，B和C的大小并优化其参数组合，在保证结构稳定性和最大微应变小于4 000的前提下，使水滴形孔位置尽量靠近下壁板.其中，A的变化范围为100 ~ 400 mm，B的变化范围为50~250 mm，A值和B值每改变50 mm建立1个模型；C的变化范围为
10~20 mm，每变化2 mm建立1个模型.
3 仿真结果和优化分析
用PCL程序建立翼梁模型，用MD Nastran进行静力和屈曲分析.经过试算，屈曲最先发生在圆形补强区域，先研究各参数对结构稳定性的影响.
首先，令B=250 mm，C=20 mm，研究A值对结构稳定性的影响，A值由100 mm变化至400 mm过程中，模型的第1阶屈曲形态见图3.可知，A值对屈曲形态和屈曲因子有明显影响，当A=250 mm时，结构的屈曲因子最大，故A的最佳值为250 mm.
参考文献：
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(编辑 于杰)
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