大型复合材料结构强度有限元分析.

大型复合材料结构强度有限元分析
Massive composite structures Intension
Finite Element Analysis
王娟吴文科
(中国直升机设计研究所
摘要:本文选取一典型复合材料梯形梁结构,采用有限元计算程序MSC.Nastran,结合与理论分析相比拟的工程简化方法,对结构强度作简便、快捷地评估,用于指导结构的初步设计。

通过对计算结果分析,突现出大型复合材料结构在静强度设计过程中的问题。

关键词:复合材料梯形梁有限元 MSC.Nastran 静强度
Abstract In the paper, We take the process of analyzing a 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, MSC.Nastran, finite element analysis
1 概述
随着航空工业的发展,人们对航空器的要求越来越高。

为了增强市场竞争力,需要不断地提高航空器的性能,设法减轻结构重量,并提高结构的可靠性、维修性。

在这种迫切的需求下,复合材料的出现日益显示出其得天独厚的优势和无穷的潜力。

目前,复合材料在航空结构中的应用已逐渐从次结构过渡到了主结构,并进入主承力结构的设计。

能否灵活准确地应用复合材料成为设计过程中的一个关键问题。

在这个新兴的科目上,专家们已经作了大量的研究并取得了丰硕的成果,基础的复合材料
理论为复合材料的应用提供了理论依据。

在此基础上,如何灵活的发挥是设计能力的一大考验点。

一个行业的发展离不开其它行业的技术支持,各种大型计算软件在工程中的应用推动了整个世界向新时代的飞跃。

基于有限元理论而编制的各种强度设计软件在强度设计中越来越占据重要地位,近年来在复合材料的设计中亦显示出强大的支持力。

复合材料结构在强度设计中考虑的破坏形式很多,在静强度设计方面主要考虑结构的屈曲破坏和纤维失效。

采用有限元计算程序,结合与理论分析相比拟的工程简化方法能对结构强度作简便、快捷地评估,用于指导结构的初步设计,尤其对于大型复合材料结构更能发挥
其优越性。

但在使用时仍需辅以典型的试验数据加以修正,而且计算方法仍大有可挖之处。

以下是典型复合材料梯形梁结构的计算过程,采用MSC.Nastran大型通用有限元分析软件分析。

该过程可大致体现有限元法在大型复合材料结构强度分析中的特点。

2 结构
选取典型复合材料梯形梁结构,结构局部三维图及详细数据如图1。

各材料参数如表1。

表1 材料参数
材料E11 E22 μ12G12 T11 T22C11 C22 S12 BS 5224/G827 130000 9400
0.0435200140050900200 98 95 5224/G803 66000 60000 0.0944600530500500450 110 66 5224/T300 140000 8600 0.04750001400501100180 99 97应力单位为MPA;长度单位为mm;力的单位为N。

图1.
3 目的
主要计算结构在集中载荷下的承弯能力,根据承载能力的分析情况指导结构设计。

理论计算模型如图2,采用三点弯曲形式,载荷为作用在梁突缘中心的集中力,假定结构在施载过程中保持平面特性。

图2.
4 有限元模型
模型中所有单元为壳元。

左角边线1约束Z 向位移,右角边线2约束向X 、Z 向位移,其余梁面周边线约束Y 向(梁腹板面法向位移。

集中载荷作用在上突缘中心线上,载荷为任意初始值。

有限元模型如图3。

计算结构的稳定性许用值和纤维失效许用值。

图3.
5 计算结果分析
结构位移云图如图4,纤维初始实效安全裕度云图如图5。

图 4.
1
角边线2 图5.
计算结果为:结构稳定性许用集中载荷为16116N;纤维初始失效许用集中载荷为6786.8N。

计算结果显示,结构在失稳破坏前就已经开始纤维破坏。

按设计要求,在正常使用状态下,结构许用载荷只能定为6786.8N。

而实际上,在结构纤维破坏的过程中结构承载能力仍能不断提高,同时结构的抗失稳破坏能力不断下降。

这是因为设计中为增强结构稳定性而辅助加入了承载能力不高的“次”纤维,“次”纤维的存在干扰了主承力纤维的发挥。

因“次”纤维的过度加入而导致整体承载能力估算值的下降——明显与设计初衷相悖。

情况1
2004 年 MSC.Software 中国用户论文集结构承载能力许用值（取两结构稳定性许用值曲线情况 2 曲线中的较小值）结构抗纤维破坏承载能力曲线结构最终破坏值点纤维完整区纤维初始破坏点纤维持续破坏区注：图中曲线仅作变化的升降示意，不代表其他意义。

图6. 在其它特殊状态如坠毁状态下，可以允许纤维断裂，假定在结构抗纤维破坏承载曲线上升达到最大值前与抗失稳破坏的下降曲线相交，则该交点为结构的最终破坏值——设计中最理想的许用承载值（如图 6 中情况 1）。

若结构抗纤维破坏承载曲线上升达到最大值时仍低于抗失稳破坏的许用值，则应取结构抗纤维破坏的最大值为许用承载值（如图 6 中情况 2）。

通常用于计算结构纤维最终破坏值（即抗纤维破坏最大值）的方法对于简单板元件来
说比较方便，要计算出大型构件的最终破坏值却显得无从下手。

从另一方面来看，若结构的稳定性许用值比纤维初始失效许用值大得多，则说明结构中存在一部分对结构承载能力无贡献的纤维铺层，徒费工费料——设计不合理。

我们需要寻求一种求解更彻底、更优化的计算方法来指导设计。

如何求得抗纤维破坏承载曲线与相应稳定性承载曲线的交点，或求得大型复合材料结构纤维的最终破坏值及相应破坏情况下的稳定性临界值是现在问题的关键。

这一计算方法需要反复地叠代，反复地修改计算参数——依赖于有限元仿真的开发。

希望这一功能早日出现！ 6 参考文献 [1] 中国航空研究所编《复合材料结构设计手册》航空工业出版社 2001 -7-。