带网状筋壁板弯曲中性层近似计算方法

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1、航天器环境工程第28卷第6期644SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2011年12月带网状筋壁板弯曲中性层近似计算方法边洪录，赵长喜，赖小明(北京卫星制造厂，北京100190)摘要：文章针对空间站大型密封舱结构对整体壁板弯曲展开尺寸精度有较高的要求，应用塑性弯曲理论及假设，对带网状筋壁板的塑性弯曲过程进行了分析，并通过简化计算确定了壁板弯曲过程中展开中性层与壁板内表面的距离，又根据中性层位置确定了壁板的精确展开长度。经过与弯曲试验数据的对比，表明该简化算法的精度能够满足产品尺寸精度，为相似结构的展开计算提供了依据。关键词：结构力学；壁板；塑性

2、弯曲；中性层；MatLab软件；数值计算中图分类号：V414．3；V462文献标识码：A文章编号：1673-1379(2011)06--0644-03DoI：10．39698．issn．1673—1379．2011．06．0290引言随着我国载人航天事业的发展，长期有人居住的空间站计划已经被列入日程。空间站主结构为大型密封舱结构，由整体壁板焊接而成。根据北京卫星制造厂现有壁板的制造流程，弯曲后的壁板外形不再进行机械加工，因此对于壁板的弯曲展开尺寸精度要求较高。确定壁板弯曲后展开中性层与弯曲内表面的距离(简称中性层位置)成为壁板制造过程中的关键步骤。本文分析了整体壁板的结构

3、特点，介绍了中性层位置计算的简化原则，通过计算确定了整体壁板中性层的位置，并与弯曲试验实测结果进行了比对，证明了该计算方法的有效性。这为今后结构近似的壁板展开计算提供了可靠的依据。1壁板的结构特点整体壁板采用铝合金材料，材料牌号为5A06，其性能见表1。表1壁板材料性能表TablelMaterialpropertiesofthin-walledplate材料牌号l材料状态l屈服强度概l弹性模量压壁板为方形网格结构，主要包括腹板和加强筋两部分。腹板厚度为2．5～3mm；加强筋宽度为4～5mlrn，高度约为17～17．5mm，壁板总厚度为20i／ira。网格的长度和宽度均在1

4、50mm左右。壁板弯曲后的内半径在500～3000mm之间；单块壁板的最大展开长度小于3000I／Lrn，其尺寸精度要求为±O．5mm。2板材弯曲理论及假设2．1板材弯曲理论板材在外界力矩的作用下，其变形区(图l中的彳BCD区域)的曲率发生变化。在整个弯曲过程中，板材变形区外表面拉伸，内表面压缩。随着力矩的增大，板材弯曲程度逐渐增大，内部应力一应变变化可分为3个阶段：纯弹性弯曲阶段，弹塑性弯曲阶段，纯塑性阶段。各阶段板材变形区内部切向应力分布如图1中的(a)、(b)、(c)所示【1】。图l弯曲时板材变形区内部切向应力分布图Fig．1Internaltangentialst

5、ressdistributionofcurlyplatematerialindeformationregion根据壁板结构特点可知，整体壁板弯曲变形区多处于弹塑性弯曲阶段。2．2壁板弯曲假设由于板材弯曲过程中塑性形变方程较为复杂，收稿日期：2011．11．02；修回日期：2011．11．30基金项目：国家重大科技专项工程作者简介：边洪录(1980一)，男，硕士学位，从事空间飞行器制造工艺研究。E—mail：singalren@sohu．com．第6期边洪录等：带网状筋壁板弯曲中性层近似计算方法645为了简化中性层位置的计算，在满足运算精度的同时，作出下述的假设：1)假设壁

6、板所采用的材料为理想塑性材料：2)假设塑性弯曲时，壁板仍满足平面假设；3)假设变形区内部弹性变形仍满足弹性弯曲理论；4)假设壁板弯曲过程中应力中性层和应变中性层重合。同时根据壁板的结构特点，对壁板沿弯曲线的剖面进行简化。由于壁板沿弯曲线的剖面实际上由数个变化的T型截面组成，因此根据对称原则，可将壁板沿弯曲线方向的剖面简化为单个T型截面。简化后的T型截面与原壁板T型截面的几何形心位置相同，其形状如图2所示。图2简化后的T型截面Fig．2Reducedcross—sectionprofile3中性层位置的计算方程建立中性层位置的计算是建立在上述假设的基础上，即沿弯曲线方向的T

7、型剖面形状不发生变化，其位置仅随弯曲角的变化而变化，且剖面上的总合力为零。假设壁板弯曲半径为尺，拉伸区域的合力为只，其面积为爿。；压缩区域的合力为R，其面积为彳。。根据本文第2节中的假设2)，有：E+C=0，只=．fq幽，4只=』吒幽。4(1)(2)(3)将式(2)与式(3)代入式(1)，可得：Iq叫+I吒以=o。(4)互根据板材弯曲理论，假设壁板弯曲后的中性层半径为p，变形区内距中性层)，处纤维的切向应变为‘2】：知：ln(型卫)≈上。(5)p由式(5)可知，壁板变形区内的切向应变岛与距中性层的距离Y近似成正比例关系。在中性