analysis of box beams 7

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Page 1: Analysis of Box Beams 7
Page 2: Analysis of Box Beams 7

Wing Box Beams

(Skin – Stringer Panels Design)

Transport Wing (Two ‐

cell box)

•Wing ,Empennage and Fuselage structures are essentially beams.

•Loaded in Bending Shear and Torsion.

•Cross section Typically Resembles a Box

Page 3: Analysis of Box Beams 7

Typical Wing and Body Loads

Page 4: Analysis of Box Beams 7

Wing Design Shear Envelope for static conditions

Typical Wing and Body Loads

Page 5: Analysis of Box Beams 7

Wing bending moment envelope for static conditions

Typical Wing and Body Loads

Page 6: Analysis of Box Beams 7

Wing Design Torsion envelope for Static Conditions

Typical Wing and Body Loads

Page 7: Analysis of Box Beams 7

Body monocoque vertical shear envelope

Typical Wing and Body Loads

Page 8: Analysis of Box Beams 7

Body monocoque vertical Bending Moment envelope

Typical Wing and Body Loads

Page 9: Analysis of Box Beams 7

Body monocoque Torsion envelope

Typical Wing and Body Loads

Page 10: Analysis of Box Beams 7

Body monocoque Lateral shear envelope

Typical Wing and Body Loads

Page 11: Analysis of Box Beams 7

Body monocoque Lateral Bending Moment envelope

Typical Wing and Body Loads

Page 12: Analysis of Box Beams 7

Purpose of Analysis

To obtain stresses  due to bending

Stresses due to Shear

Stresses due to Torsion

Page 13: Analysis of Box Beams 7

Need for a Box Beam

• A simple beam such as  ‘I’

Resists Bending.

• It is weak in torsion.

• A/C structure is Loaded in Torsion.

• Structure requires adequate Torsional Stiffness.

Page 14: Analysis of Box Beams 7

• Unstiffened Single Cell

• Two Stringer with Stiffened Cell(Light Aeroplanes)

• Three stringer Single Cell(Light Aeroplanes)

• Multistringer Single Cell( Transport‐Thick wings)

• Multistringer Multi Cell( Military‐Thin wings)

Types of Cross Section

Page 15: Analysis of Box Beams 7

• All Assumptions of beam theory are applicable mainly

– Plane sections remain Plane

– Closely placed rigid diaphragms

Assumptions

Page 16: Analysis of Box Beams 7

• Consists of wide skin‐stringer panel to resist bending 

torsion and shear.

• Skins carry all the shear(Torsion and shear)

• Skins carry very little compression.

• Skins exhibit post buckled strength

• Box section generally not symmetric(unsymmetric bending)

• Box is tapered and must be considered.

General Characteristics of  Box Beams

Page 17: Analysis of Box Beams 7

• Beam is not under pure bending

• Due to presence of shear stresses ,plane sections do not 

remain plane

• This leads to a phenomenon called shear lag.

Limitations  of Beam Theory.

Shear Lag effect in a wing Box Beam

Page 18: Analysis of Box Beams 7

• In general the Section is unsymmetric, hence  bending stress is obtained from

• For symmetric section

Estimation of Bending stresses.

The principal stresses

Page 19: Analysis of Box Beams 7

• The moments of inertia of the section is computed  considering the skin and the stringer.

• Need to account for skin  buckling(depends on stress

• Requires an iterative procedure.

Section Properties

Page 20: Analysis of Box Beams 7

• Step1‐Assume skin fully effective(lump skin area with stringer)

• Step 2‐Compute Ix, Iz and Ixz

• Step 3‐Compute bending stress σb

• Step 4‐

Find effective width

• Step 5‐

Compute Ix,Iy and Ixz and σb

• Step 6‐

Repeat Steps 1 to 5 till convergence

Iterative Procedure

b

Page 21: Analysis of Box Beams 7

• Shear stress due to applied shear

• Shear stress due to applied torsion

• Shear flow =fs

x t

• Concept of shear flow is used extensively.

Estimation of Shear Stresses.

Page 22: Analysis of Box Beams 7

Basic equilibrium condition

• (qn+1

‐qn

)

Δy

=P2

‐P1

Equilibrium Equation

Axial Load and shear flows on a member.

Page 23: Analysis of Box Beams 7

Shear flow due to shear

Also Written as                                     where

Page 24: Analysis of Box Beams 7

Example of an open section‐Shear flow two common idealizations

V

Sheet carries bending stress

V

Sheet carries only shear

Page 25: Analysis of Box Beams 7

Moment due to shear flow‐closed cell

Torque ‘My’

applied to a closed cell results in uniform shear flow q

Bredt Batho Eqn

Page 26: Analysis of Box Beams 7

Shear flow 

Consider a unit length

Strain energy U=

From castiglianos theorem

Twist of a Closed Cell

Page 27: Analysis of Box Beams 7

Procedure to obtain q0

• Step 1 Starting at any point obtain 

• Step 2 Calculate moment MI

due to qI about a point O

• Step 3 Moment due to q0

about the point is q0

.2A •• Step 4 obtain q0 

from moment equilibriumMI

+ q0

.2A =VX0

• Make a cut to introduce unknown shear flow q0

Single cell Box subjected to shear

Page 28: Analysis of Box Beams 7

• If the shear is applied through shear center the twist is zero• Assume‐

the shear flow q=qI

+q0

is for shear through S.C

Twist 

Hence

• The shear center may then be obtained by taking moments of 

shear flow q about point O

Shear Center

Page 29: Analysis of Box Beams 7

• Shear center lies on an axis of symmetry

• Shear center may not coincide with centroid.

• Line joining shear centers is the axis of twist

• Aircraft wing structure is generally unsysmmteric

• Flexural axis is the neutral axis(principal axis)

• Shear flow is zero at an axis of symmetry when loading is 

also symmetric about that axis.

Points to Remember

Page 30: Analysis of Box Beams 7

Section with Geometry and load is shown below, determine the 

shear stress in the skin and web and the location of the shear 

center for the cell

D‐cell with two stringers

Page 31: Analysis of Box Beams 7

D‐cell with two stringers

Page 32: Analysis of Box Beams 7

D‐Cell with 3 Stringer section

Calculate the line of action of the shear center for the three‐stringer cell as 

shown below.

Page 33: Analysis of Box Beams 7
Page 34: Analysis of Box Beams 7
Page 35: Analysis of Box Beams 7
Page 36: Analysis of Box Beams 7

Single‐Cell Multi Stringer section

Page 37: Analysis of Box Beams 7

Single‐Cell Multi Stringer section

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Single‐Cell Multi Stringer section

Page 39: Analysis of Box Beams 7

Single‐Cell Multi Stringer section

Page 40: Analysis of Box Beams 7

Single‐Cell Multi Stringer section

Page 41: Analysis of Box Beams 7

Single‐Cell Multi Stringer section

Page 42: Analysis of Box Beams 7

Single‐Cell Multi Stringer section

Page 43: Analysis of Box Beams 7

Single‐Cell Multi Stringer section

Page 44: Analysis of Box Beams 7

Single‐Cell Multi Stringer section

Page 45: Analysis of Box Beams 7

Single‐Cell Multi Stringer section

Page 46: Analysis of Box Beams 7

• In a multi cell box there are  as many unknown shear flows 

as there are cells

• Twist cell equations need to be used to obtain them

• Twist of each cell is equal to twist of the box

Multi Cell Box‐Basic Principle

Page 47: Analysis of Box Beams 7

• Let there be N cells• Make N cuts and obtain shear flow q1

,q2

…qn

• Let the unknown shear flows be q10

,q20

…qno

• Twist of any cell i= 

• Equating the twist  of each cell

Eqn θ1

=

θ2

=

θ3

………………………

[N‐1]Equations

• Taking moment of shear flows  about a point ‘o’

Where ds‐panel length,P‐perpendicular distance from ‘o’

• With these equations  q10

,q20

….qN0

are obtained

Equations for Twist

Page 48: Analysis of Box Beams 7

Two cell boxSame example considered except a middle spar to make the box 

become a two cell (three spars)

Page 49: Analysis of Box Beams 7

Two cell box

Page 50: Analysis of Box Beams 7

Two cell box

Page 51: Analysis of Box Beams 7

Two cell box

Page 52: Analysis of Box Beams 7

Two cell box

Page 53: Analysis of Box Beams 7

Two cell box

Page 54: Analysis of Box Beams 7

Two cell box