復合材料多墻盒段的有限元分析

摘 要:本文在復合材料多墻盒段的靜強度試驗的基礎上，考慮了試驗件的實際的加載、支持狀態，并采用合適的有限元單元對復合材料多墻結構進行了合理的簡化，建立了多墻盒段的有限元模型。通過線性靜強度和屈曲的有限元分析，計算結果與試驗結果取得了較好的一致性。

關鍵詞:復合材料 多墻盒段 有限元分析 屈曲

中圖分類號:V215文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)01(a)-0071-02

1 引言

復合材料多墻結構具有結構重量輕、承載能力高和扭轉能力大的特點，因此在先進戰斗機的機翼、尾翼結構中已經開始得到了應用[1，2]，而在民機上，尤其是大型客機上，迄今為止，也僅在波音787的尾翼結構等極少數民機的機、尾翼結構上被采用。目前，對于多墻式結構的研究還以金屬結構為主，而對復合材料的機、尾翼結構的研究也主要集中在加筋壁板的穩定性方面[3，4]。而對于復合材料多墻結構的分析，在國內還開展的較少。

復合材料盒段級別的靜強度試驗屬于復合材料結構積木式驗證體系中的部件級試驗，其主要目的主要是為了考核盒段的分析方法，為飛機的全尺寸結構的驗證試驗提供支持。本文通過建立復合材料多墻盒段的有限元模型，進行了線性靜強度和屈曲分析，而有限元的分析結果也和試驗結果取得了較好的一致性。

2 試驗簡介

在積木式驗證方法中，應選取主要結構件(PSE)進行驗證試驗。即選取安全裕度小的部位進行試驗。對于平尾盒段，其外來物沖擊損傷主要出現在壁板。應選擇厚板區域，相同板厚的情況下選取靠近根部所受應力更大的區域。這里為了制造的方便，不考慮實際結構中壁板的曲率，復合材料多墻盒段試驗件為平直的等剖面多墻結構，如圖1所示。

復合材料件均采用T700/BA9916體系，熱壓罐固化成形。試驗盒段全長1120mm，寬630mm，高200mm;蒙皮和梁為T700/BA9916預浸料層壓結構，墻為蜂窩夾層結構。

試驗盒段通過支持盒段過渡固定在承力墻上，利用加載盒段的加載接頭進行加載。試驗盒段、支持盒段與加載盒段上壁板的連接形式均為角材對接，與下壁板的連接形式為搭接。復合材料多墻盒段的試驗載荷為:

扭轉試驗設計載荷(極限載荷):

——————————————

彎曲試驗設計載荷(極限載荷):

Mx=62kN·m

3 有限元模型

3.1 有限元模型的建立

為了和試驗結果進行比較，采用四節點四邊形單元(Quad4)，在MSC.PATRAN/NASTRAN中建立了如圖2所示的有限元計算模型。模型包括加載段，過渡段，固定段以及試驗段四部分。

上下壁板、梁腹板、立柱立筋簡化成為復合材料層合板元，墻簡化為復合材料蜂窩夾芯層合板元，其中上下壁板在梁凸緣、π筋條處的鋪層，墻在π筋條處的鋪層以及梁腹板在立柱平筋處的鋪層為對應兩部分鋪層的疊加。為了準確定義不同結構的鋪層方向，以如圖3所示的一個整體坐標系，和兩個局部坐標系為參考。

對于蜂窩夾層結構，這里按照文獻[3]66-78提出的方法來處理，將面板與蜂窩芯子分開處理，面板用板元素，蜂窩芯用“特殊體元”模擬。

3.2 材料屬性的定義

T700/BA9916單向帶的基本力學性能見表1，蜂窩材料為ZMS 1974A(3型A級，密度48kg/m3)，其力學性能數據見表2。T700/BA9916單向板的實際單層厚度為0.14mm。

4 分析結果與試驗值的對比

4.1 扭轉工況

4.1.1 線性靜強度分析

由試驗結果可知，在扭轉工況下，80%極限載荷附近結構開始發生屈曲。由于發生初始屈曲之后，結構會出現大位移、大變形的幾何非線性情況。所以，這里線性靜強度分析所施加的載荷需在80%以內，計算值和試驗結果才具有可比性。

如圖3所示，位移的有限元計算值與試驗值是接近的。

4.1.2 屈曲分析

扭轉載荷作用下盒段的一階屈曲模態見圖4，屈曲形態為局部屈曲，屈曲位置在前梁腹板，屈曲載荷為87.15%，與試驗值的比較見表3。

4.2 彎曲工況

4.2.1 線性靜強度分析

同樣，由試驗結果可知，在彎曲工況下，75%極限載荷附近結構開始發生屈曲。所以，這里線性靜強度分析所施加的載荷需在75%以內。

如圖5所示，位移的有限元計算值與試驗值是接近的。

4.2.2 屈曲分析

彎曲載荷作用下盒段的一階屈曲模態見圖6，屈曲形態為整體屈曲，屈曲位置在上壁板，屈曲載荷為58.67%，與試驗值比較見表4。

5 結論

通過對多墻盒段的有限元建模及分析，并與相關試驗數據進行對比，得到了如下的結論:

(1)對實際的多墻結構的有限元簡化是合理的，建立的多墻盒段的有限元模型能夠反映實際結構的受力特點;

(2)在扭轉和彎曲工況中，線性靜強度分析和屈曲分析的有限元計算結果均與試驗結果取得了較好的一致性。

參考文獻

[1]程文淵，崔德剛，顧志芬等.復合材料多墻結構承載能力分析[J].復合材料學報，2006，23(4):119-123.

[2]孫曉峰，張志民.復合材料多墻式結構非線性穩定性分析[J].復合材料學報，2001，18(3):119-123.

[3]中國航空研究院.復合材料結構穩定性分析指南[M].北京:航空工業出版社，2002.

[4]航空航天部工業部科學技術研究院.復合材料設計手冊[M].北京:航空工業出版社，1990.