飞机复合材料加筋薄壁结构的创新设计理念研究_飞机复合材料结构设计

飞机复合材料加筋薄壁结构的创新设计理念研究由刀豆文库小编整理，希望给你工作、学习、生活带来方便，猜你可能喜欢“飞机复合材料结构设计”。

飞机复合材料加筋薄壁结构的创新设计理念研究

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

目录

摘要…………………………………………………………………………………………2 第一章 引言………………………………………………………………………………4 第二章 2.1 2.2 2.3 第三章 3.1 3.2 第四章

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 试验件设计………………………………………………………………………7 试验件设计…………………………………………………………………7 有限元建模与分析…………………………………………………………7 工作总结………………………………………………………………………16飞机复合材料加筋薄壁结构的创新设计理念研究

第一章 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。

飞机复合材料加筋薄壁结构的创新设计理念研究

11 Xt12131,(110)(2-1)SS1213纤维压缩失效：

11Xc1,(110)(2-2)基体拉伸失效：

2233232223312131,(2233)02YSSSt23121322(2-3)基体压缩失效：

2233Yc2222Yc2233232233122S232S23S232(2-4)12131,(2233)0S12S13其中Xc和Xt是纤维方向的压缩和拉伸强度，Yc和Yt是横向压缩和拉伸强度，S12，S13，S23分别是1-

2、1-

3、2-3方向的剪切强度。

在ABAQUS分析软件中，纤维增强复合材料初始损伤判据基于Hashin准则，由上面知该判据考虑四种破坏机理：纤维拉伸、纤维压缩、基体拉伸、基体压缩。在后面将采用Hashin准则分析复合材料失效的情况。

2.3 基于内聚力模型的界面元分析

内聚力模型（Cohesive zone model）是对复合材料界面的一种简化，但通过适当地选取参数，可以反映出界面层的特性。内聚单元是基于内聚力模型的界面元在有限元中的应用。在ABAQUS中，可通过内聚单元的损伤萌生、失效来模拟复合材料界面的分层起始扩展过程。

内聚单元是一种基于内聚力模型的零厚度界面元，主要用来模拟分析粘结层、复合材料界面层、补片等的破坏。采用强度准则判断内聚单元的损伤萌生，损伤萌生后则采用Griffith能量破坏准则，同时也可以根据应变值判断其损伤萌生及破坏过程。本文将在筋条和蒙皮之间加入内聚力单元来模拟筋条和蒙皮之间的脱胶破坏情况。

飞机复合材料加筋薄壁结构的创新设计理念研究

按照上面所述方法进行建模，分别建立蒙皮和L型筋条两个部件，然后通过Tie将其连接。图3.1和3.2为L模型复合材料铺设图和网格划分图。图3.1不同颜色表示所铺复合材料方向不同。蒙皮单元尺寸长2.5mm、宽2.5mm，共有1600个单元；筋条网格尺寸长2.5mm、宽2.5mm，共1600个单元。

图3.1 L模型复合材料铺设图 图3.2 L模型网格划分图

首先对L模型进行特征值屈曲分析，得到一阶屈曲模态图（变形系数为1）如图3.3所示。然后将初始屈曲模态的横向位移值作为初始扰动加入到L型壁板轴压承载分析中，可得到位移载荷为5mm时的结构变形图（图3.4）和位移载荷曲线图（图3.5）。

图3.3 L模型一阶屈曲模态图

飞机复合材料加筋薄壁结构的创新设计理念研究

型，进而进行考虑渐进损伤的结构后屈曲分析。

应用Hashin准则所需要的复合材料T700/BA9916的强度指标为：纵向拉伸强度Xt=2688MPa，纵向压缩强度Xc=1458MPa，横向拉伸强度Yt=69.5MPa，横向压缩强度Yc=236MPa，纵向剪切强度S12=S13=136MPa，横向剪切强度S23=105MPa。

复合材料铺层、单元选择、网格划分情况等均与（1）中模型完全相同，故而特征值屈曲分析时可得到相同的一阶屈曲模态图（图3.3），然后将初始屈曲模态的横向位移值作为初始扰动加入到L型壁板轴压承载分析中，可得到位移载荷曲线，如图3.6所示。

图3.6 LPDA模型位移载荷曲线图

由位移载荷曲线图可知当加载位移约为1.0mm时由于结构开始发生屈曲而使曲线出现拐点；当加载位移为1.520mm时结构达到最大承载载荷104.9kN；随后随加载位移增大，复合材料纤维和基体发生损伤并迅速扩展，使得承载能力迅速下降；当加载位移大于1.7mm以后，结构承载能力已经降到最低。

（3）融合内聚力模型的结构后屈曲分析

在（1）中所建立的模型中的蒙皮和筋条之间加入内聚力单元，用以模拟层间损伤，得到LCZM壁板模型，进而进行考虑蒙皮和筋条之间脱胶的结构后屈曲分析。

现在需要增加内聚力单元的各个指标。内聚层定义参数为：E33=20000MPa，0飞机复合材料加筋薄壁结构的创新设计理念研究

图3.9 LCZM模型一阶屈曲模态图

图3.10 LCZM模型载荷位移曲线图

由位移载荷曲线图可知当加载位移约为1.0mm时由于结构开始发生屈曲而使曲线出现拐点；当加载位移为1.942mm时结构达到最大承载载荷118.4kN；此时模型蒙皮与筋条的层间内聚力单元已开始发生损伤，并随加载位移增大而迅速扩展，使得蒙皮与筋条发生局部分离，承载能力迅速下降；当加载位移大于3.5mm以后，结构承载能力已经降到较低水平。

具体过程分析如下：在加载位移为1.863mm时，脱层起始，图3.11的Mises应

2飞机复合材料加筋薄壁结构的创新设计理念研究

图3.13 2.333mm时，LCZM模型脱层完全扩展图

图3.14 2.333mm时，LCZM模型蒙皮筋条分离图

（4）三种分析方法的结果比较

上面给出了对于L型壁板的三种分析方法结果，得到了三种模型：L模型，LPDA模型，LCZM模型。现在将它们的位移载荷曲线放在一起进行分析，如图3.15所示。

4飞机复合材料加筋薄壁结构的创新设计理念研究

第四章 工作总结

本文针对一种材料体系（T700/BA9916），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个分析模型，对其轴压失效过程进行了模拟分析，并将不同分析方法进行了对比。可得以下结论：

（1）采用S4R壳单元的结构后屈曲分析方法，并结合Hashin复合材料失效判据能较好地综合模拟复合材料结构的后屈曲与损伤累积的耦合历程。

（2）采用S4R壳单元的结构后屈曲分析方法，并结合内聚力单元能较好地模拟蒙皮与筋条的脱胶损伤对结构后屈曲承载能力的影响。

（3）对于三种分析方法，三条曲线在小位移加载时是重合的，表征了壁板在承受线弹性压缩；而后由于结构开始发生屈曲三条曲线均发生偏折；从最终承载能力上来看，原始模型最高，~CZM、~PDA模型比较接近；在达到最终承载能力之后，原始模型和~CZM模型由于筋条和蒙皮本身完好并未破坏仍具有一定的承载能力，曲线下降相对较缓，而由于载荷过大使得层内迅速发生破坏的~PDA模型，曲线迅速下降到最低，结构不再具有承载能力。

结构创新设计总结

结构创新设计总结通过学习《结构创新设计》这门课程，我明白了在建筑结构中垂直体系和水平体系都有着重要作用，他们之间的相互配合，才使得建筑承受各种荷载而不倒。学习这门课程......

橡筋动力飞机“雷鸟”橡筋动力飞机的制作教学设计

山窝小学航模社团橡筋动力飞机“雷鸟”橡筋动力飞机的制作胡东 教学内容：“雷鸟”橡筋动力飞机的制作。 教学目标：1、了解橡筋动力飞机的飞行原理和历史背景。2、掌握橡筋动力......

“雷鸟”橡筋动力飞机的制作教学设计

橡筋动力飞机----“雷鸟”橡筋动力飞机的制作教学内容：“雷鸟”橡筋动力飞机的制作。 教学目标：1、了解橡筋动力飞机的飞行原理和历史背景。 2、掌握橡筋动力飞机的调试和飞行......

幼儿园结构游戏的创新研究

《幼儿园结构游戏的创新研究》中期研究报告《幼儿园结构游戏的创新研究》是我园承担的无锡市教育科学“十一五”规划课题，该课题于2006年11月立项，并于2007年4月通过了开题论......

基于创新理念下的高中化学教学设计研究

基于创新理念下的高中化学教学设计研究摘要：新课程标准的制订，标志着我国高中化学课程改革进入了一个新的历史阶段。在这个大前提下，高中化学教学设计必须注重（知识与技能、过程......