玻璃鋼結構力學性能仿真

錢 平，戴志強

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

隨著機械結構復雜程度的提高，結構的減重問題也變得尤為突出，然而在不影響結構整體力學與熱學性能的基礎上，材料的選取成為了研究的重點[1]。

復合材料的突出優點是比強度和比模量(即強度、模量與密度之比)高[2]。比強度和比模量是度量材料承載能力的一個指標，比強度愈高，同一零件的比重愈小；比模量愈高，零件的剛性愈大[3]。

聚合物基復合材料的彈性模量低[4]，因此制品容易變形。用碳纖維等高模量纖維作為增強材料可以提高復合材料的彈性模量；另外，通過結構優化設計也可以克服其彈性模量差的缺點。

1 模型處理與參數設置

1.1 模型簡化

圖1是簡化的某天線仿真模型，其中除頂部圓柱天線與上下2層共10個天線為金屬鋁外，其余結構支撐件均為研究討論對象，分為金屬材料與復合材料進行仿真分析。

圖1 某天線仿真模型

從表1中也可看出復合材料玻璃鋼的比強度確實較大，對于設計減重而言比鋁更合適。

1.2 模型概述

當模型全用鋁件加工時質量為41.6 kg，結構承載件用玻璃鋼時質量減為30.2 kg，其質量分布情況如表2所示。

表1 鋁與玻璃鋼的基本材料屬性

表2 金屬鋁與玻璃鋼材料部件重量對比

2 沖擊仿真分析

模型仿真部件底部中心受脈沖沖擊作用，按仿真設計輸入要求條件進行仿真試驗，通過對平方和的平方根(SRSS)方法的峰值評估數據云圖的研究，表征部件在此脈沖沖擊下的應力分布情況，仿真以鋁材料(ZL101 A)屈服應力230 MPa、玻璃鋼的屈服應力290 MPa為極限應力。

2.1 仿真評估方法

本次力學仿真采用UG-NX8.0軟件進行。對仿真對象的應力響應峰值評估方法有多種，本文中涉及到的評估方法主要采用SRSS規則。SRSS評估方法即為通過將各個節點每個方向矢量的計算應力值求平方和開根號的形式來達到輸出SRSS結果的目的，此方法假設響應是相互獨立的，同時每個模態下輸出的特征峰值是發生在不同的時段。此方法相比于實際的輸出響應結果可認為附加了1.5～2的安全系數。

SRSS峰值響應的計算方程如下：

(1)

2.2 仿真設計輸入

根據激勵附加形式與位置，將設計輸入沖擊譜轉化為全頻域曲線分析，轉化后的全頻域曲線如圖2所示。本文選取最高峰值為300 g加速度的沖擊信號從底部進行仿真試驗，沖擊響應譜根據海軍標如圖2所示。加速度值在1～300 Hz遞增，近似一個指數函數(最大值為300 g)；大于300 Hz頻率后，加速度值穩定于300 g。

圖2 仿真分析激勵

2.3 模態分析

模態是機械結構的固有振動特性，每一個模態具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型。這些模態參數可以通過計算或試驗分析取得，利用NX的有限元仿真模塊計算得到某天線的模態信息。因為模態振幅之間是逐級遞減的過程，因此對于前3階模態的分析已經足夠能反映總體振型趨勢，每階模態反映的是在該固有頻率下對象系統的振型。

可以通過比較鋁材料和與之替換的復合材料的模態信息的差異來研討該結構形式下各種材料應用的優缺點，具體數據如表3所示。

表3 2種材料前3階模態

圖3和圖4是鋁材料與玻璃鋼第1階模態振型的比較，圖中顯示的第1階主振型是沿y方向的振動。該模態下振動是全局振型。

圖3 鋁材料第1階模態振型

圖4 玻璃鋼第1階模態振型

第1階模態結構件為鋁材料時固有頻率為155.2 Hz，為玻璃鋼時固有頻率為72.9 Hz，從固有頻率上可以看出玻璃鋼的剛度要低于鋁材料。同時比較一階模態下振型的差別，剛度的差異就更為明顯。結構件為鋁材料時，因為某天線和中部支撐架剛度一致，表現出振幅是一個逐層遞增的過程；而當結構件為玻璃鋼時，因為中部支撐架為玻璃鋼，剛度要差于鋁材料，所以在支撐架中表現有振幅的突變(藍和青的交界處)，形變基本作用在其上，反而頂部的總體位移沒有鋁材料來得大，即由小剛度物體支撐大剛度質量塊時很明顯會出現這種現象。

2.4 沖擊響應分析

根據仿真設計輸入，在模態分析的基礎上進行沖擊響應分析，評估方法采用SRSS，根據設計要求輸入激勵曲線。圖5和圖6為鋁材料與玻璃鋼在300 g強度沖擊下的應力云圖。

圖5 結構件為鋁材料的某天線模型沖擊仿真應力云圖

圖6 結構件為玻璃鋼的某天線模型沖擊仿真應力云圖

可以看出，云圖分布表明當結構件為鋁材料時，最大應力發生在中部支撐架幾條加強筋處，最大值為62 MPa；當結構件為玻璃鋼時，最大應力發生部位位置相近，最大值為41 MPa，其中金屬鋁的拉伸強度為230 MPa，玻璃鋼的拉伸強度為290 MPa。對于強度而言，玻璃鋼復合材料因為有較高的比強度，所以比金屬材料還略微出色；對于緩沖能力而言，玻璃鋼也能更好地抵御沖擊載荷。

3 結束語

(1) 剛度方面，玻璃鋼要低于鋁材料，當遇到用金屬材料與復合材料銜接的器件時，要注意對剛度較低的復合材料部分通過布加強筋的方式增加復合材料部分的剛度；

(2) 拉伸強度方面，玻璃鋼略高于鋁材料，而且密度1.8 g/cm3，對于有減重需要的部件，復合材料是很不錯的金屬材料替代品，且緩沖性能相對優越。