某復合材料機身靜強度計算

2019-06-09 08:38:29朱亞輝

科技創新與應用 2019年17期

朱亞輝

摘? 要：蜂窩材料作為蜂窩夾層結構的夾芯，由于其很高的比強度、比剛度等一系列傳統材料不具備的優點，在航空、航天領域有著廣泛的應用，成為航空、航天蒙皮的主要材料之一。以某型號紙蜂窩為分析對象，采用三明治夾心實體單元模擬蜂窩結構，機體結構常采用殼，單元應用MSC/NASTRAN軟件對其進行數值模擬。

關鍵詞：蜂窩結構;三明治理論;數值分析

中圖分類號：V435+.13 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）17-0018-03

Abstract： Honeycomb material is the sandwich of honeycomb sandwich structure. Due to its high specific strength， specific stiffness and other advantages that a series of traditional materials do not have， honeycomb material has been widely used in the field of aviation and spaceflight. It has become one of the main materials of aerospace skin. Taking a certain type of paper honeycomb as the analysis object， the sandwich solid element is used to simulate the honeycomb structure， the shell is often used to simulate the honeycomb structure， and MSC/NASTRAN software is used to simulate the honeycomb structure.

Keywords： honeycomb structure; sandwich theory; numerical analysis

1 概述

蜂窩夾層結構一般由蒙皮材料與中間層的蜂窩芯體構成，蒙皮通常采用強度較高的薄板材料。許多飛機的機身和機翼均由蜂窩結構材料制成[1]。

夾芯是夾層結構的重要組成部分，合理的夾芯結構可以大大減輕夾層結構的重量。由于正六邊形蜂窩用料省、制造簡單、結構效率高以及強度高，已經在飛機上得到廣泛應用。本文以正六邊形蜂窩板為研究對象，采用MSC/NASTRAN大型通用軟件對某飛機機身結構進行有限元計算，采用三明治夾心板理論對蜂窩結構進行等效處理。圖2給出蜂窩胞元示意圖。

2 三明治夾心板理論

三明治夾芯板理論是對蜂窩夾芯進行等效的一種有效的方法，假定芯層能抵抗橫向剪切變形并且具有一定的面內剛度，上、下蒙皮層服從Kirchhoff假設，忽略其抵抗橫向剪應力的能力。在以上假設條件下，蜂窩芯層可以被等效為一均質的厚度不變的正交異性層。對于正六邊形蜂窩，等效彈性參數表示如下[2]：

其中E、G為夾芯材料的工程常數;l、t分別為蜂窩胞元壁板的長度和厚度;γ為修正系數，取決于工藝，一般取0.4～0.6，理論值取1.0。

3 數值分析

3.1 有限元模型描述

由于蒙皮很薄（0.6mm），有限元模型采用了殼單元（圖3a）和體單元（圖3b）混合方式，蜂窩按照三明治夾心板理論分為芯體和上、下蒙皮兩部分，蒙皮采用殼單元，蜂窩芯體按體單元建立模型，其余結構則按殼單元建立模型，殼單元與蜂窩芯體體單元中心線連接（圖3）。

約束方式為模型底部全約束，載荷的施加點為試驗作動筒加載點，載荷點與試驗件的連接采用多點約束RBE3（圖4）。

3.2 材料參數

所有殼單元采用鋁合金材料，彈性模量E=67.6GPa，泊松比μ=0.33。復合材料蒙皮為鋁材，復合材料芯體為紙基，采用正交各向異性材料，材料參數為：

3.3 計算結果

由圖5可以看出，總體變形為5.38mm，與實驗測試位移5.23mm，相對誤差為2.8%;由圖6可以看出，最大等效應力為128MPa，出現位置為蜂窩板的上部。

表1給出了局部坐標系下蜂窩面的應力計算結果，局部坐標系主應力（X方向，厚度方向）的最大值出現在約束位置。