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1、中国航空学会年学术年会材料专题机身复合材料加筋板壳的稳定性及强度分析系统卢文书马元春梁伟卢子兴北京航空航天大学固体力学研究所北京摘要随着先进复合材料在,工程上迫切需求大型复合材料加筋板壳的飞机主承力结构机身结构中的大量应用、稳定性刚度和强度分析的理论和程序支持。快速建模打样计算本文主要介绍开发的一个机身复合材料加筋板壳结构的稳定性及强度分析程序。通过与文献结果对比,表明本程序系统是能够满足精度要求的。并且,对,。实际机身一个典型复合材料加筋板壳的计算表明本程序系统能够用于工程复杂结构的分析关键词飞机复合材料加筋板壳稳定性强度作为体现飞机先进性的一种标志,复合材
2、料在军机结构上的应用越来越广泛。而大型民用飞机方面也正在积极地将复合材料应用于主承力结构上。因此,针对复合材料结构开展的理论和应用研究越来越受到各国飞机设计部门的高度重视。目前,复合材料在军机上的应用已从翼面结构向机身结构的方向发展,并且主要采用加筋的层合板壳结构形式。由于这类结构的主要失效是丧失稳定性而引起的,所,以为保证其使用的安全性对加筋板壳结构进行稳定性分析历来是飞机结构设计中的。,,一项重要课题对大型民用飞机而言其中机身的上壁板一般采用复合材料薄壁双向加筋结构。对,,其极限承载能力设计主要包括强度和稳定性两个方面于薄壳结构在一定程度上稳定性设计要比强
3、度设计更为关键。,一,近年来尽管国内在复合材料结构稳定性分析方面取得了一定的成果,并且编制了一些计算程序,例如,,但对机身复合材料双曲度加筋板壳的工程应用和理论研究方面还有许多工作需要进一步开展。本文根据稳定性理论,综合近十凡年来复合材料任意加筋板壳有限单元、复一,,,‘。‘‘合材料层合板壳理论以及失效理论等成果开发了机身复合材料加筋板壳结构的稳定性及强度分析程序系统。经与相关文献结果对比,表明本程序系统能够满足分析精度要求。同时,对实,。际机身复合材料加筋板壳的计算表明本程序系统能够用于复杂工程结构的分析程序系统的目的,,为满足实际工程中飞机设计人员面对复合
4、材料复杂加筋板壳的需求在初始设计阶段寻找一种简单易行的有限元单元,为,飞机的打样设计提供技术支持在详细设计阶段需要适当的分析计算方法及对应实,际结构材料体系的强度判据和失稳判据预估出结构在受载时的逐层破,为坏载荷和失稳载荷飞机结构设计提供技术支持运用稳定性和强度理论及有效分析手段有限元或开发专用程序研究并设计合理的结构形式从而最大限度地抵抗失稳现象的发生同时要保证强度要求。程序系统是要为加筋复合材料整体板壳在飞机主承力构件上的应用提供技,,、术储备并从稳定性和强度两个指标入手为确定复合材料整体板壳的结构形式结构承载能力提供设计分析手段。程序系统的功能中国航空学
5、会年学术年会材料专题提,。,到线性稳定性分析就要涉及线性屈曲载荷对于完善的各向同性材料制成的板在面内载,。,,,荷的作用下屈曲载荷一定存在而对于复合材料制件由于力的祸合作用除对称铺层外其余,。,,屈曲载荷存在与否与铺层和边界条件有关需作具体分析否则求出的结果可能没有实际意义而有的文献却没有考虑到这个问题。因此,线性稳定性分析程序首先判断线性屈曲载荷的存在性。在实,,际飞机结构中机身复合材料都采用对称均衡铺层所以屈曲载荷存在而为消除颤振采用非对称铺层的复合材料机翼壁板,其屈曲载荷的存在性则需要具体考虑。复合材料线性屈曲载荷的计算线性稳定性分析程序在计算线性,屈曲
6、载荷时充分考虑了复合材料特有的加载逐层破坏和刚度逐步衰减的情况,对求得的屈曲载荷进行了必要的修正。简单分析过程如下图中的,戈,,戈为制件单层失效载荷有关失效判据及刚度衰减理论见,此时按完善,,,,,,结构可求得屈曲载荷为则有若则为屈曲载荷是设计依据若复合材料制件刚度衰减,重新计算屈曲载荷为凡’,此时若凡’戈,则凡’为屈曲载荷,戈是设计依据若凡’戈,,。,则戈为屈曲载荷也是设计依据所谓的设计依据是指飞,,、,机这种多次使用的飞行器在一次加载过程中结构中不能出现不可恢复的永久性损伤以此所限制的受载值。若,同理可以按上述分析进行探讨。叫引川门叼律,、但蒸只口艺︵︶￡
7、丫私结构位移训川图复合材料结构逐步破坏示意图非线性稳定性分析程序非线性稳定性分析程序用,于复合材料加筋板壳的凡何非线性稳定性和强度分析它以线性稳定性分析程序为基础,采用更新的拉格朗日方法进行参量表达。对于凡何非线性结构分析的平衡方程,其增量形式为二“一一△凡凡其中,为单元节点的位移向量增量,为小变形时的常刚度矩阵为初位移矩阵,是故的二,,函数是由当前应力水平决定的初应力矩阵又称为凡何刚阵是外加载荷是在作用下。一二,节点的载荷向量令切线刚度矩阵为则公式可简写为一△“凡,。,对于非线性方程组程序中采用增量法进行求解为克服随增量步的变大所得的结果可能,在每个增一一,
8、偏离真实解的缺点量步内均利用法困法进行
