复合材料格栅结构单元力学性能预测

第27卷 第4期2007年8月航 空 材 料 学 报J OURNAL OF A ERONAUT ICAL MAT ER I A LSV o l 127,N o 14 A ugust 2007复合材料格栅结构单元力学性能预测蒋诗才, 邢丽英, 李斌太, 陈祥宝(北京航空材料研究院,北京100095)摘要:采用商业有限元软件M SC.N astran ,运用简单的She ll 单元对复合材料格栅结构蒙皮和加强筋进行模拟,预测复合材料格栅结构名义纵向拉伸强度/模量,弯曲强度/模量。

计算结果表明,随着复合材料格栅中肋高度的增加,名义弯曲强度/模量和拉伸强度/模量均有下降趋势。

关键词:复合材料格栅结构;力学性能;预测中图分类号:TB332 文献标识码:A 文章编号:1005-5053(2007)04-0065-04收稿日期:2007-03-15;修订日期:2007-04-12作者简介:蒋诗才(1973)),男,博士研究生,主要从事复合材料研究。

格栅结构是一种轻质、高效的结构形式,复合材料格栅结构以较强的可设计性和多种优良性能而广受关注。

由于复合材料格栅结构重量相对同规格铝合金格栅结构重量减轻60%,刚度增加10倍,强度增加3倍,在国外复合材料界得到越来越广泛的重视,并被确定为下一代返回式宇航飞行器壳体三大候选制造技术(加筋结构、夹层结构、格栅结构)之一[1]。

复合材料格栅结构研究热点之一为力学性能预测[2~5],早期是利用经典的加筋层合板理论,预测格栅结构的过屈曲行为,但存在误差太大。

为了更有效的预测格栅结构的力学性能,研究者利用ANSYS 等有限元软件或应用/s m eari n g 0方法预测复合材料格栅结构的力学行为,以及利用混合遗传算法[6]优化设计格栅结构。

但以往的学者在分析预测格栅结构力学行为时都需要建立特殊的加筋板壳单元,如张志峰[7]建立的协调转角独立加筋板壳单元,存在建模复杂和计算量大等问题,并且多为分析格栅结构的压缩和屈曲失效性能。

而在实际工程应用中,先进复合材料格栅结构的拉伸性能和弯曲性能也是非常重要的,尤其是弯曲性能与制造先进复合材料格栅结构的工艺性能密切相关。

因此本研究采用商业有限元软件M SC .N astran ,运用简单的Shell 单元对含上下层蒙皮格栅结构的蒙皮和加强筋进行模拟,预测复合材料格栅结构名义纵向拉伸强度/模量,弯曲强度/模量。

为工程应用复合材料格栅结构提供参考价值。

1 格栅结构有限元模型的建立1.1 几何模型在本模型中,采用Shell 单元对复合材料格栅结构的蒙皮和加强筋进行模拟。

M SC .N astran 中shell 单元的定义为两维单元,某一个方向的尺寸远小于另外两个方向的尺寸。

进表面蒙皮和加强筋的整体格栅结构为典型厚板结构,不适用于上述薄板假设。

但是,在对复合材料格栅结构分析时,由于复合材料格栅结构整体力学性能未知,不能沿复合材料格栅结构厚度处理为单一壳单元。

作为分析对象的是复合材料格栅结构的蒙皮和加强筋,它们均可满足上述假设。

将具有实际厚度的蒙皮和格栅抽象为离散的面元结构时,采用结构的中性面作为网格划分的参考面。

实际结构为关于中性面对称的三维结构(图1)。

因此,如果复合材料格栅结构的实际高度为H 2,抽象几何面结构的高度为h 1,则: h 2=h 1+12(h u +h b )h u 和h b 分别为上蒙皮和下蒙皮的厚度。

本研究在建立复合材料格栅结构计算分析模型时考虑到格栅结构中单元尺寸较大,为了避免由于模型中格栅单元数目分布带来的非对称效应,在拉伸、弯曲模型中采用格栅单元对称分布的几何尺寸模型。

在采用中性面建模,会出现模型中数学意义上下蒙皮和格栅肋的重叠现象,不符合物理模型,会给结果带来一定误差(图1)。

也可以通过参考面偏移避免这一问题,但是考虑到参考面偏移同时会引入载荷作用点偏心问题,因此,仍然采用中性面建航 空 材 料 学 报第27卷模,并且认为这一重叠带来的误差是忽略不计的。

拉伸模型拉伸、弯曲模型中采用格栅单元对称分布的分析模型如图2,网格划分后的拉伸有限元模型如图3。

在弯曲模型中,为了避免施加集中载荷带来的局部应力过高问题,事先在模型中定义出了弯曲载荷施加区域,认为弯曲载荷均匀施加在该区域上(图4),网格划分后的有限元模型如图5。

在以上的格栅模型中,主要采用了四节点面元进行结构的网格划分,在局部不能采用四节点单元的地方采用三角元划分。

由于三角元具有较大的面外刚度,为了保证模型精度,尽量减少三角元的应用。

1.2 壳单元模型本研究格栅分析的模型中主要采用N astran 中的QUAD4单元,局部采用T ri 3单元,QUAD4和Tri 3单元均为面单元,坐标系统如图6。

图6 QUAD4单元的坐标系统(来自N astran 技术文档)F ig .6 Coord i nate system of QUAD4ce ll (from N astrandocum ent)1.3 复合材料格栅结构分析单元力学性能定义 在QUAD4单元中,需要给出单元的材料属性。

对于各向同性材料,需要给出材料的属性、厚度。

由于沿单元厚度方向材料的力学性能并不连续,实际为具有不同材料性能主方向的分段连续结构。

因此,需要给出每一层的性能属性和主方向,以及其在单元厚度上的位置和厚度。

本模型中采用的材料属性参数示于表1。

格栅结构的蒙皮面板、格栅筋采用相同的铺层方式,采用对称式铺层,其中每一单层厚度均为0.125mm 。

对于格栅蒙皮面板,零度铺层角定义为沿着整体坐标的x 方向(图2~5)。

对于格栅的加强筋,零度铺层角定义为格栅的长度方向。

表1 有限元模型中采用的复合材料性能参数T ab l e 1 M ain composite param eter Para m ete rs /00L o w te mperature cure resin /T 700T ens ile m odulus /G Pa 120T ensile strength /M P a 2300Com press i ve strength /M Pa1000C ross Po isson rati o 0.31Interla m i nar shear streng t h /M P a6866第4期复合材料格栅结构单元力学性能预测在计算试样不同载荷条件下的强度值时,对复合材料的材料强度判据采用Tsa-i W u准则。

在T sa-i W u判据中取F12为零,其他值参照上表。

2格栅结构力学性能预测2.1弯曲性能预测三点弯曲格栅结构的有限元模型如图5。

在两端边界施加简支约束在中间区域施加均布载荷。

为了能够得到与实际结构变形更接近的计算结果,采用N astran中针对大变形的非线性求解器SOL106。

厚度10mm,12mm,16mm试样(模型中厚度方向高度8mm,10mm,14mm)的有限元分析结果,力-位移曲线如图7。

其中力为垂直于厚度方向施加载荷,位移为试样长度方向中点的最大厚度方向位移。

图7复合材料格栅结构的弯曲力-位移曲线F i g.7L oad/displace m ent fi gure of AGS bend properties参照相关三点弯曲试验的计算公式如下,可以得到格栅结构的名义弯曲强度和弯曲模量:R m ax=3F max L2BH2(1)E=L3$p4B H3$l(2)表2复合材料格栅结构弯曲性能有限元预测结果T ab le2Bend i ng prope rti es pred icted by M SC.N astranSpan l eng th/mmG rad i ent of load-d i sp l ace m ent fi gure/N#mm-1W i dth/mm H eight/mm Load/N E/G Pa R/M P a192872.2343.5610331035218.843 1921360.7343.5612414031190.0826 *******.4843.5616663026171.229由表2可以看出,随着复合材料格栅中肋高度的增加,名义弯曲模量和弯曲强度有下降趋势。

其实,这是显而易见的。

因为,随着肋高度的增加,蒙皮面板对整体结构贡献比率下降,而肋对整体结构性能贡献比率上升造成了这种结果。

2.2格栅结构纵向拉伸名义模量和强度预测格栅结构纵向拉伸的有限元模型如图3。

在一端施加固支约束,另一端施加拉伸载荷。

厚度分别为10mm,12mm,16mm的格栅结构纵向拉伸载荷下的力-位移曲线如图8。

计算结构单向拉伸强度和模量的公式如下:R m ax=F m axA(3)E=$F#L$L#A(4)求得不同厚度格栅结构的名义拉伸模量和拉伸强度,如表3所示。

在表3中,同样可以看到随着格栅高度的增加,名义模量和名义拉伸强度都随之下降。

与弯曲加载模型中的计算结果具有相近的分布趋势。

表3复合材料格栅结构纵向拉伸性能有限元预测结果T ab le300tensile properti es predicted by M SC.N astranW i dth/mm H eight/mm L eng t h/mm E/G Pa R/M PaS ize1043.5610171.2220.82979793119.5942378 S ize1243.5612171.2219.41874448115.3116391 S ize1643.5616171.2215.9550794398.8383121由于在模型中采用了边约束和边加载的方法,在约束端和加载端有应力集中出现,而这与实际试验过程中的加载方式不符。

因此在下面的应力场分布情况中,只给出试样长度方向的中间部分。

在该67航 空 材 料 学 报第27卷图8 复合材料格栅结构纵向拉伸力-位移曲线F i g .8 Lo ad /d i sp l acement fi gure o fAG S 00tensil eprope rties区域,应力分布均匀,符合实际试验过程中的应力状态。

作为典型,给出了格栅高度为10mm 时,蒙皮上面板、下面板、格栅肋的应力场分布情况(图9)。

3 结 论基于简单的Shell 单元,采用中性面建模对复合材料格栅结构的蒙皮和加强筋进行模拟,在此基础上使用M SC .Nastran 预测复合材料格栅结构名义纵向拉伸性能和弯曲性能。

计算结果表明,随着复合材料格栅中肋高度的增加,名义弯曲性能和拉伸性图9 纵向拉伸状态下蒙皮上面板、下面板、格栅肋的应力场F ig .9 S tress fi e l d of AG S top /bo ttom pane ,l ri b under 00tensil e能均呈下降趋势,这是由于随着复合材料格栅中肋高度的增加,蒙皮面板对整体结构贡献比率下降,而肋对整结构性能贡献比率上升所造成的。