几种基于组合方法的复合材料层合板壳单元

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1、航空学报Jan．252013V01．34No186-96ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaISSN1000-6893ON11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa，edu．cahkxb@buaa．educn几种基于组合方法的复合材料层合板壳单元尹进1，杨东生1，张盛1’*，陈飙松1’2，董锴31．大连理工大学运载工程与力学学部工程力学系，辽宁大连1160242．大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁大连1160243．北京宇航系统工程研究所，北京100076摘要：为了方便合适地选取单元进行工程分析，本文基于开放式

2、结构有限元分析系统SiPESC．FEMS，提出一种基于经典模型的复合材料层合板壳单元程序计算框架。此框架利用组合的方法，考虑平面壳单元中板、膜单元之间的关系以及程序编制过程中的重用性、灵活性等特点，采用了软件设计中的构造器(Builder)模式实现不同的复合材料层合板壳单元。本框架具有一定的通用性和可扩展性，能够处理复杂荷载、边界条件及三维空间不同材料铺设方向的层合板壳的结构分析问题。基于此方法实现了5种复合材料层合板壳单元，通过数值算例分析对比讨论各单元性能，显示了本框架具有简单实用等特点以及采用组合方法构造单元的优势。关键词：复合材料；层合板壳单元；组合式单元；

3、有限元；SiPESC中图分类号：V214．8；V414．8；TBll5；TB330．1文献标识码：A文章编号：1000—6893(2013)01—0086—11复合材料具有轻质高强度、良好可设计性、耐高温等特点，由于其优良的力学物理性能，应用到越来越多的领域中，特别是航空航天。无论是民用飞机[1](包括空客、波音公司)、军用飞行器(包括战斗机、飞航导弹)，还是运载火箭和卫星飞行器，复合材料的用量都在不断增加，它们的一个很重要的发展趋势是轻量化。而复合材料层合板在现代航空航天工程中大量应用的同时，对其数值分析方法及手段提出更高的要求。复合材料层合板数值分析的发展是基于

4、不同类型的层合板理论，关于各种复合材料层合板理论有大量的综述文献[2‘51发表。而大部分理论是使用位移作为基本变量的，这些理论可以分为Layerwise层合板理论(LLT)和等效单层板理论(ESL)，而等效单层板理论按未知位移变量的展开阶数又可分为两种：包括经典层合板理论(CLT)和一阶剪切变形理论(FSDT)的经典模型、各种高阶剪切变形理论(HSDT)的精化模型。Layerwise模型由于未知数依赖层合板层数，所以计算量很大；经典模型由于列式简单、计算效率高，被人们广泛采用，但不能精确预测局部影响，例如层间应力分布；后来为了克服这种限制发展了高阶精化模型，但是其大

5、多列式复杂，并不利于程序实现和工程应用。所以工程上和数值模拟程序中大多基于经典模型[61来实现复合材料分析。SiPESC．FEMS【73是大连理工大学工程力学收稿日期：2012—02．20；退修日期：2012—03—13；录用日期：2012-04．11；网络出版时间：2012—11—0114：56网络出版地址：WWW．cnkinet／kcms／detail／111929．V．201211011456．002．htmI基金项目：国家自然科学基金(11072050，51021140004)；国家基础性发展规划项目(2010CB832704)；国家“863”计划(2012

6、AA050901)；中央高校基本科研业务费专项资金*通讯作者．Tel．：0411-84706574E—mail：zhangs@dlut．edu．cn萼i用榕武

7、YinJ．YangDS。ZhangS，etal．Laminatedcompositeplateandshellelementsbasedoncombinationmethod。ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2013．34(1)：86-96．尹进，扬东生．张盛．等．凡种基f组合方法的复合材料层合板壳单元航空学报．2013．34(1)：86—96．尹进等：几种基于组合方法

8、的复合材料层合板壳单元系自主研发的新一代结构有限元分析系统，其基于工程数据库和插件技术，采用面向对象方法，具有有限元分析系统各层次的开放接口和管理机制，可通过插件技术来动态实现可扩展功能，通过工程数据库来实现大规模有限元模型管理和分析求解。此软件的特色是提供一个规范化和可扩展的设计方案，开发者可以根据自己的需求方便添加自己的计算模块。本文使用开放式结构有限元系统SiPESC．FEMS提出一种基于经典模型的复合材料层合板壳单元的计算框架，通过组合复合材料板单元和膜单元，开发几种实用的复合材料层合板壳单元。此方法构造简单、可扩展性强、可以解决不同材料及不同铺层方向的