PATRAN中復合材料結構應變讀取方式研究

金暉

【摘 要】本文介紹了以不同的方式讀取PATRAN中復合材料結構的單向應變和主應變，比較了兩種方式讀取工作應變的差異，闡述了差異產生的原因，指明復合材料結構在應變分析中需要根據不同的應變分析要求讀取工作應變。

【關鍵詞】復合材料；單向應變；主應變；工作應變；許用應變

0 引言

復合材料由于密度小、比強度和比模量高、抗疲勞性能優越、性能可設計和易于整體成形的優異特性，自20世紀60年代誕生起就顯示了強大的生命力。復合材料設計與制造技術的發展和成熟，推動了其在民用飛機中的廣泛應用。近年來，低成本、高性能的復合材料結構越來越多的應用到民用飛機上。如空客A350和波音787飛機上都采用了大量的復合材料。

1 復合材料結構應變校核

復合材料結構廣泛應用的背后，隱藏的是復合材料結構的設計和制造。其中復合材料設計的優劣需要通過強度分析結合驗證試驗來完成適航驗證。

對于復合材料結構的強度分析來說，首當其沖的就是應變分析。復合材料結構通過設計許用值試驗，獲取復合材料結構的拉伸、壓縮和剪切性能的許用應變。再通過PATRAN軟件建立復合材料結構的有限元模型，運用NASTRAN軟件計算出內力解，獲取對應復合材料結構的工作應變，通過公式（1）進行應變強度分析，獲取結構應變安全裕度。

需要注意的是，在應變分析中，工作應變采用單向應變還是主應變需要根據強度計算原則頂層文件來選取。通常選擇主應變進行應變分析更加保守。

2 PATRAN中的主應變讀取

在復合材料結構內力計算過程中，可以選擇按照單層輸出內力結果，也可以選擇按照層板輸出內力結果。通常按照復合材料層板輸出內力結果，得到的是上下面板的內力結果，如圖1所示。

以復合材料單元5444246和5430452為例，采用兩種方式讀取的復合材料主應變分別如圖2和圖3所示。

通過比較可以發現，單元5444246兩種方式讀取的主應變各不相同，單元5430452兩種方式讀取的主應變完全相同。這是因為Fringe方式是將上下面板分別計算得到的主應變平均后作為層板的主應變，而Tensor方式是先通過上下面板平均后得到層板的單向應變，再計算得出層板的主應變。

對于上下面板單向應變方向相同的單元，這兩種方式讀取的結果相同；但對于上下面板單向應變方向相反的單元，這兩種方式讀取的結果就完全不同。這是因為上下面板單向應變方向相反時，表示復合材料層板承受彎曲，彎曲引起了偏心影響。因此，采用單向應變進行復合材料應變分析時，兩種方式都可以。倘若采用主應變進行復合材料應變分析，建議采用第二種方式讀取單元應變，避免由于彎曲引起的偏心影響。

3 總結與展望

本文對PATRAN中復合材料結構應變的讀取方式進行了介紹，指出了采用兩種方式讀取復合材料應變的差異，并對差異產生的原因進行了闡述。在復合材料應變分析過程中，可以采用單向應變和主應變進行強度分析。通常采用主應變方式進行復合材料應變分析更加保守，這時需要合理選取復合材料應變的讀取方式，保證強度分析結果的準確性。

近年來，波音、空客等飛機制造商采用單向應變和復合應變相結合的方式進行復合材料的強度分析，即在滿足單向應變的前提下還要滿足復合應變的強度分析。具體采用雙向復合應變還是三向復合應變進行強度分析，需要根據具體飛機型號強度計算原則來執行。

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[責任編輯：朱麗娜]