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时间:2011-02-10 15:42来源:蓝天飞行翻译 作者:admin
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二、稳定性设计
结构的稳定性是针对一些结构构件,在飞机结构中如桁条等型材、梁缘条、腹板、蒙皮等,在一定载荷方式下,如压载荷或剪切载荷作用,所发生的一类结构内力平衡形态跳跃变化的现象。结构内力平衡形态的变化可导致结构构件承载形式的变化、承载能力的下降或严重者导致结构的失稳破坏。因此,结构的稳定性设计问题要复杂得多,涉及构件的构型、尺寸、边界约束、材质特性以及施加载荷等因素。为叙述方便,以下按典型构件形式分类,介绍基本原理与设计方法。
"桁条、缘条类构件的稳定性设计
飞机结构中,与蒙皮连接的桁条(长桁),与梁腹板连接的缘条以及梁或肋腹板上的支柱等在结构力学概念上同属杆件类承载元件,尽管它们的构造与连接形式有所不同,但内力平衡形态是一致的,故在这些元件上发生的失稳现象也大致相同。因此,在以下叙述中统称它们为型材。
型材失稳可能有多种形式,当型材有蒙皮或腹板支持时,其主要失稳形式为两类:一为在垂直于蒙皮或腹板平面内轴线发生弯曲的总体失稳;二为型材上局部发生的皱折或压屈失稳。任何一种形式的失稳都会使型材失效,因此设计计算时选择总体失稳临界应力 和局部失稳临界就力 中的较小者作为结构稳定性的临界应力 %&值。设计上当然希望通过合理的构型设计使 与 值尽可能接近,一般说这可能提高材料利用率,达到减轻重量的目的。
()总体失稳临界应力 设计上一般按欧拉杆形式计算,在弹性范围内欧拉杆的失稳临界载荷值 ’%&为
’ %& ( )"* + * (* , -, )
式中 .  )———支持系数; 
———杆件长度; 
+———杆件剖面惯性矩; 
•/-•

 

———杆件材料的弹性模量。因此,总体临界失稳应力 的设计值应为
 % " (( )* )()
%&’
%&’为杆件截面积。由上式可以看出,提高型材剖面惯性矩,改变杆件的支持条件以及减小两端的距离都将有助于提高杆件的临界失稳载荷,但需要考虑改变设计后引起的结构增重,应取其结构重量较轻者为合理设计。
(()局部失稳临界应力 +一般用来设计校核薄壁型材。从力学上讲,薄壁型材由几块相互支持的板件组成,为受到压载荷时通常会在低于 ,的某一个应力值(即 +),某块或某几块甚至全部板件开始发生皱折或压屈,此即局部失稳。
对一块板件而言,其局部失稳临界应力为
+- .  /0 12(, 3 ")([ ]- (( ) * ) 4)
式中5  2 —
—板件的皱损系数,与板件的边界支持情况和板件的长宽比相关; 
, —
—板件的受载边宽度; 
" —
—板件厚度。

当整个板件发生局部失稳时的临界应力可按工程设计法,平均取为
,6’6 +6 7 ,(’( +( 7 .. 7 ,8’8 +-,-’-+-
’平均 . ,6’6 7 ,(’( 7 ..,8’8 . ,’ (( )* )*)
由上述公式可知,剖面形状参数对 +有很大影响。如 9型材中的垂直板件的皱损系数 2为带一侧自由边的板件(如 9型材的上、下板和直角型材中的垂直板)的 2值的 10 :倍,而 +-值也肯定要大些。设计时,整个型材的局部失稳临界应力可按最先一块失稳板件的 +取值,此时偏于保守;也可按式(( )* )*取所有板件失稳后的平均应力值。
(0蒙皮、腹板类构件的稳定性设计
蒙皮或腹板同属薄板构件,在压载荷或剪切载荷作用下常发生皱折型失稳现象。由于它们在飞机结构中的不同部位使用,设计上对它们的使用要求也不相同。针对这两类薄板常见的稳定性设计方法,以下分别做一简单介绍。
(6)蒙皮与长桁、翼梁缘条连接在一起,构成了加劲式薄壁结构,通常称为加劲壁板,同时在机翼上翼肋向加劲壁板提供了横向支持。这类加劲壁板在稳定性设计中是复杂的,不仅要考虑蒙皮的失稳,而且同时又要考虑加劲桁条的失稳临界载荷;更重要的是这两类构件组合在一起,特别当元件的设计尺寸不同时,失稳现象是多种多样的,相互间有着复杂的耦合作用。当蒙皮较薄、桁条断面尺寸较大时,失稳现象较易确定,这类壁板通常称为经典型加劲壁板。当压载荷逐渐增大时,两桁条间中间位
•61;•
 
置的蒙皮先发生失稳,并逐步向桁条位置延续,最后使得桁条与蒙皮全部发生失稳。设计上不能保守地取蒙皮的初始失稳的应力作为设计应力,而要取一定宽度(有效宽度)的板的临界应力作为设计应力值。故壁板有效宽度内的失稳临界应力为
",% &%’( () " ) *(* +, +-)
() & * & ( ",% ", .  & "  /’ ", . (* + , + -)
式中0  % —
—板件的支持系数; 
" —
—蒙皮厚度; 
( —
—长桁间距;下标 %表示蒙皮,.表示长桁。

当蒙皮较厚,即蒙皮占总壁板面积的比例较大时,蒙皮和长桁的失稳临界应力接近,这类壁板有多种破坏形式:
(1)两个长桁之间的蒙皮失稳,同时引起长桁变形,使结构扭曲并产生严重的局
部变形(图 ,2 3( 4))。(*)个别长桁在两个翼肋之间出现局部失稳。
(3)个别长桁在两个翼肋之间出现总体失稳。但对带 5形剖面长桁的壁板,一般
说长桁不会产生单纯的弯曲不稳定,而可能带有一定程度的扭转屈曲。
(,)长桁和蒙皮一起出现总体失稳,也称宽柱失稳。
(-)两个铆钉间的长桁或蒙皮失稳。
这类壁板因要考虑许多方面的参数和各种不同的失稳形式,故确定壁板的极限应力和最有效地确定其结构尺寸比较困难。设计时实际上不能只依靠理论来解决,经常使用的还是试验数据和由此定出的设计图表。对这类壁板只有当整个结构破坏时才认为是临界设计状态,故若在达到设计载荷之前出现蒙皮失稳现象是正常的。若长桁出现失稳,则一般作为临界设计状态处理。宽柱失稳的临界应力一般与长桁失稳应力相等或略高,通常可不必另作计算。
 
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