文档介绍：南京航空航天大学
大学生创新训练计划项目
研究总结报告
项目名称: 飞机复合材料加筋薄壁结构的创新设计理念研究
项目负责人: 何俊(学号:010610423)
项目参加者: 黄达飞(学号:010610428)
顾海雷(学号:010610425)
项目指导教师: 陈普会(所属院系:航空宇航学院)
项目迄止时间: 2009 年 3 月~ 2010 年 11 月
南京航空航天大学教务处
2010年12月
飞机复合材料加筋薄壁结构的创新设计
理念研究
摘要
复合材料加筋壁板是航空工程中应用比较广泛的典型结构细节件,对其力学性能进行研究具有重要意义。用数值分析方法研究复合材料典型结构单元在轴压作用下的失效机理和传载特性,对复合材料整体化结构的设计具有重要的指导意义。
本文针对一种材料体系(T700/BA9916),设计L型单筋条壁板试验件,采用ABAQUS商业化有限元分析软件共建立了3个分析模型,分别采用了结构后屈曲分析方法、融合渐进损伤分析的结构后屈曲分析方法和融合内聚力模型的结构后屈曲分析方法对相关模型的轴压失效过程进行了模拟分析,并将不同分析结果和分析方法进行了对比,得到了一些对结构单元的细节设计具有指导意义的结论,并对进一步的研究工作进行了展望。
关键词单筋条壁板,后屈曲分析,渐进损伤分析,内聚力模型,承载能力
目录
摘要…………………………………………………………………………………………2
第一章引言………………………………………………………………………………4
第二章有限元分析方法…………………………………………………………………5
结构后屈曲分析……………………………………………………………5
渐进损伤分析………………………………………………………………5
基于内聚力模型的界面元分析……………………………………………6
第三章试验件设计………………………………………………………………………7
试验件设计…………………………………………………………………7
有限元建模与分析…………………………………………………………7
第四章工作总结………………………………………………………………………16
引言
飞行器的薄壁结构由于自身明显的优点得到了广泛的应用。对于—般薄壁结构,其蒙皮在处于较低的应力水平时便可能产生失稳现象,但这不等于整个结构的破坏,它仍具有一定的承载能力。所以,研究薄壁结构后屈曲状态下的承力特性和应力分析方法,对于提高结构承载能力、减轻重量、改进结构设计等都将具有重要意义。
随着先进复合材料在飞行器结构中的应用越来越多,结构设计理念正在发生变革,目前的主要发展趋势是采用整体化的设计思想。整体化设计指的是将若干个零件设计成一个较大的整体件,从而减少零件数量,减少连接件和连接过渡区附加重量、减少装配,进而减轻结构重量、降低成本。整体化工艺设计也日益受到重视与应用,如B-2飞机外翼整体翼面壁板、正弦波腹板梁、机翼整体下翼面壁板、A380安定面格栅结构壁板、整体缠绕机身等。
鉴于上面所述,本文重点研究复合材料整体壁板的后屈曲承载能力,设计了L型单筋条壁板试验件,采用ABAQUS商业化有限元分析软件共建立了3种分析模型,对其轴压失效过程进行了模拟分析。
三种有限元分析方法:结构后屈曲分析;渐进损伤分析;基于内聚力模型的界面元分析。
第二章有限元分析方法
结构后屈曲分析
复合材料加筋板的屈曲是指当平面载荷达到使初始平直的平衡状态不再稳定而挠曲成为曲面形状,使产生偏离平面状态的载荷称为屈曲载荷。平面载荷下复合材料结构的屈曲分析涉及到特征值问题的解答。具体分析方法如下:
(1)首先进行特征值屈曲分析,得到一些特征值和屈曲模态。特征值屈曲分析即为“结构弹性稳定分析”,指结构在外载荷作用下,在原来的平衡状态之外,出现了另一种平衡状态。在数学推导中解决的是一个求解特征值的问题,故而被称为特征值屈曲分析。特征值屈曲,仅考虑结构的线性行为。
(2)由于第一阶模态最容易发生(载荷最小),取初始屈曲模态的横向位移值作为初始扰动加入到后面进行实际结构承载分析,得到结构的承载特性和失效破坏过程,这就是结构后屈曲分析。
下面将采用上述方法对单筋条壁板进行结构后屈曲分析。
渐进损伤分析
复合材料层压板是多相材料,其失效问题很复杂,主要包括单层内的材料失效和层间的分层失效模式。其中单层内的失效形式主要为基体开裂和纤维断裂,分层失效模式主要为层间拉伸分层失效和剪切分层失效等。
复合材料的损伤是一个渐进损伤的过程,薄弱处的失效会引起载荷的重新分配,各种不同形式的损伤会造成复合材料层压板的刚度