大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強度有限元分析

1、大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強度有限元分析Massive composite structures IntensionFinite Element Analysis王娟吳文科(中國直升機設(shè)計研究所摘要:本文選取一典型復(fù)合材料梯形梁結(jié)構(gòu),采用有限元計算程序MSC.Nastran,結(jié)合與理論分析相比擬的工程簡化方法,對結(jié)構(gòu)強度作簡便、快捷地評估,用于指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計。通過對計算結(jié)果分析,突現(xiàn)出大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在靜強度設(shè)計過程中的問題。關(guān)鍵詞:復(fù)合材料梯形梁有限元 MSC.Nastran 靜強度Abstract In the paper, We take the process of analyzing a

2、typical massive composite structure for example to show the problems in analyzing massive composite structures static intension . When analyzing, we use the calculating software MSC.Nastran which base on the theory of finite element analysis.Key words:massive composite structure, static intension, M

3、SC.Nastran, finite element analysis1 概述隨著航空工業(yè)的發(fā)展,人們對航空器的要求越來越高。為了增強市場競爭力,需要不斷地提高航空器的性能,設(shè)法減輕結(jié)構(gòu)重量,并提高結(jié)構(gòu)的可靠性、維修性。在這種迫切的需求下,復(fù)合材料的出現(xiàn)日益顯示出其得天獨厚的優(yōu)勢和無窮的潛力。目前,復(fù)合材料在航空結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用已逐漸從次結(jié)構(gòu)過渡到了主結(jié)構(gòu),并進(jìn)入主承力結(jié)構(gòu)的設(shè)計。能否靈活準(zhǔn)確地應(yīng)用復(fù)合材料成為設(shè)計過程中的一個關(guān)鍵問題。在這個新興的科目上,專家們已經(jīng)作了大量的研究并取得了豐碩的成果,基礎(chǔ)的復(fù)合材料理論為復(fù)合材料的應(yīng)用提供了理論依據(jù)。在此基礎(chǔ)上,如何靈活的發(fā)揮是設(shè)計能力的一大考驗點。

4、一個行業(yè)的發(fā)展離不開其它行業(yè)的技術(shù)支持,各種大型計算軟件在工程中的應(yīng)用推動了整個世界向新時代的飛躍。基于有限元理論而編制的各種強度設(shè)計軟件在強度設(shè)計中越來越占據(jù)重要地位,近年來在復(fù)合材料的設(shè)計中亦顯示出強大的支持力。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在強度設(shè)計中考慮的破壞形式很多,在靜強度設(shè)計方面主要考慮結(jié)構(gòu)的屈曲破壞和纖維失效。采用有限元計算程序,結(jié)合與理論分析相比擬的工程簡化方法能對結(jié)構(gòu)強度作簡便、快捷地評估,用于指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計,尤其對于大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)更能發(fā)揮其優(yōu)越性。但在使用時仍需輔以典型的試驗數(shù)據(jù)加以修正,而且計算方法仍大有可挖之處。以下是典型復(fù)合材料梯形梁結(jié)構(gòu)的計算過程,采用MSC.Nastran大

5、型通用有限元分析軟件分析。該過程可大致體現(xiàn)有限元法在大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強度分析中的特點。2 結(jié)構(gòu)選取典型復(fù)合材料梯形梁結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)局部三維圖及詳細(xì)數(shù)據(jù)如圖1。各材料參數(shù)如表1。表1 材料參數(shù) 圖1.3 目的主要計算結(jié)構(gòu)在集中載荷下的承彎能力,根據(jù)承載能力的分析情況指導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計。理論計算模型如圖2,采用三點彎曲形式,載荷為作用在梁突緣中心的集中力,假定結(jié)構(gòu)在施載過程中保持平面特性。 圖2.4 有限元模型模型中所有單元為殼元。左角邊線1約束Z 向位移,右角邊線2約束向X 、Z 向位移,其余梁面周邊線約束Y 向(梁腹板面法向位移。集中載荷作用在上突緣中心線上,載荷為任意初始值。有限元模型如圖3。計算結(jié)構(gòu)

6、的穩(wěn)定性許用值和纖維失效許用值。 圖3.5 計算結(jié)果分析結(jié)構(gòu)位移云圖如圖4,纖維初始實效安全裕度云圖如圖5。 圖 4.1角邊線2 圖5.計算結(jié)果為:結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性許用集中載荷為16116N;纖維初始失效許用集中載荷為6786.8N。計算結(jié)果顯示,結(jié)構(gòu)在失穩(wěn)破壞前就已經(jīng)開始纖維破壞。按設(shè)計要求,在正常使用狀態(tài)下,結(jié)構(gòu)許用載荷只能定為6786.8N。而實際上,在結(jié)構(gòu)纖維破壞的過程中結(jié)構(gòu)承載能力仍能不斷提高,同時結(jié)構(gòu)的抗失穩(wěn)破壞能力不斷下降。這是因為設(shè)計中為增強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性而輔助加入了承載能力不高的“次”纖維,“次”纖維的存在干擾了主承力纖維的發(fā)揮。因“次”纖維的過度加入而導(dǎo)致整體承載能力估算值的下降明顯

7、與設(shè)計初衷相悖。 情況1 2004 年 MSC.Software 中國用戶論文集 結(jié)構(gòu)承載 能力許用 值（取兩 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性許用值曲線 情況 2 曲線中的 較小值） 結(jié)構(gòu)抗纖維破壞 承載能力曲線 結(jié)構(gòu)最終破壞值點 纖維完整區(qū) 纖維初始破壞點 纖維持續(xù)破壞區(qū) 注：圖中曲線僅作變化的升降示意，不代表其他意義。 圖6. 在其它特殊狀態(tài)如墜毀狀態(tài)下， 可以允許纖維斷裂， 假定在結(jié)構(gòu)抗纖維破壞承載曲線上 升達(dá)到最大值前與抗失穩(wěn)破壞的下降曲線相交， 則該交點為結(jié)構(gòu)的最終破壞值設(shè)計中最 理想的許用承載值（如圖 6 中情況 1） 。若結(jié)構(gòu)抗纖維破壞承載曲線上升達(dá)到最大值時仍低 于抗失穩(wěn)破壞的許用值，則應(yīng)取結(jié)構(gòu)抗纖維破壞的最大值為許用承載值（如圖 6 中情況 2） 。 通常用于計算結(jié)構(gòu)纖維最終破壞值 （即抗纖維破壞最大值） 的方法對于簡單板元件來說 比較方便，要計算出大型構(gòu)件的最終破壞值卻顯得無從下手。從另一方面來看，若結(jié)構(gòu)的穩(wěn) 定性許用值比纖維初始失效許用值大得多， 則說明結(jié)構(gòu)中存在一部分對結(jié)構(gòu)承載能力無貢獻(xiàn) 的纖維鋪層，徒費工費料設(shè)計不合理。我們需要尋求一種求解更徹底、更優(yōu)化的計算方 法來指導(dǎo)設(shè)計。 如何求得抗纖維破壞承載曲線與相應(yīng)穩(wěn)定性承載曲線的交點， 或求得大型復(fù) 合材料結(jié)構(gòu)纖維的最終破