基于特殊体元模型的复合材料蜂窝夹层结构强度分析.pdf

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1、万方数据洪都科技HONGDUSCⅡ烈CEANDTECHNoLoGY2010·设计与工艺·基于“特殊体元"模型的复合材料蜂窝夹层结构强度分析王专利，姜亚娟4(洪都航空工业集团)摘要：基于。特殊体元”模型和经典层压板理论，利用_LSC／NASTRAN有限元分析软件，对复合材料蜂窝夹层结构强度进行了分析。试验证明该分析方法是合理的。关键词：特殊体元；蜂窝夹层结构；础SC_,／NASTBANTheStructuralStrengthAnalysisofCompositeHoneycombSandwichBased011Specia

2、lElementModelWANGZhuanli，HANGYajuan(HongduAviationIndustryGroup)AbstractAccordingtOthespecialelementmodelandclassiclaminatetheory，bymeal强ofMSC／NASTRANfiniteelementanalysissoftware，allanalysiswasperformedoncompos--itehoneycombsandwichstructurestrength，whichprovedth

3、efeasibilityofthisanMysismethod．KeyWordsspecialelement；honeycombsandwichstructure；MSC／NASTBANl引言众所周知，复合材料已成为与铝合金、钛合金、钢并驾齐驱的四大飞机结构材料之一，先进树脂基复合材料的用量也已成为飞机先进性的一个重要标志。复合材料夹层结构具有结构重量轻、刚度大的特点，已经广泛的应用于航空航天器。某型飞机由于全动平尾翼面相对高度小，采用金属结构难于加工和装配，因此采用了复合材料面板与Nomex蜂窝组成的全高度蜂窝夹层结构。

4、万方数据洪都科技2010定本文基于MSC／NASTRAN有限元分析软件，利用蜂窝“特殊体元”模型和经典层压板理论，对该复合材料平尾的静强度进行了分析，确定了该复合材料全动平尾的结构尺寸参数，经全尺寸复合材料平尾静力试验验证，采用该方法分析复合材料夹层结构的强度是合理的。2蜂窝特殊体元模型的基本理论采用MSC／NASTRAN有限元分析软件对复合材料夹层结构进行分析时，面板采用膜应力元，蜂窝芯子采用与材料坐标系相关的“特殊体元”进行模拟。面板和芯子受力如图1所示。％芯子受力Z：：、k以1么二歹乙以乃，面板受力．．．．．．．．J

5、：．．．．．▲f：7口--、-／f／写j／么_．矶图l夹层结构面板和蜂窝芯子受力示意蜂窝“特殊体元”特性，假设x,y、z为蜂窝芯子材料坐标系统，在材料轴系统中，体元的应力应变关系方程为：Gllc2。乞G3。岛：c．。c42G。G：G6。％c“气魄铅魄魄其中刚度元素G。中下标1—6分别为材料轴x,y以xy、y'z和搿轴。对于蜂窝芯子而言，只需要考虑G33=E。，魄=吒，魄=吒，即蜂窝压缩模量和两个方向的剪切模量。3蜂窝夹层结构的失效准则因该平尾面板采用碳纤维材料，其相对于Nomex蜂窝而言强度足够，本文主要侧重于蜂窝夹芯的失

6、效分析。一般而言，蜂窝夹层结构中蜂窝芯的破坏主要是蜂窝压塌和剪切破坏。失效判据如下：2以岛岛％靠‰，Il-l__●________-____JL■_-_I_-_--I●-IIl_L以以仉％印住，____I__■_I●__■●__l，、_l●I●I_lI●_ll_lI万方数据第2期王专利，萎亚娟：基于“特殊体元”模型的复合材料蜂窝夹层结构强度分析o-Z≤[crc]k≤[％]x0．7％≤[‰]×0．7式中：crl一蜂窝体元形心处的应力；五——应力修正因子，对于该平尾而言取正=2．0；下。——蜂窝体元形心处的纵向剪应力；r。——

7、蜂窝体元形心处的横向剪应力；[盯。]、[k]、[丁。]——蜂窝材料的许用应力。(2)(3)(4)4平尾结构简介及有限元模型建立该复合材料平尾属于单梁式蜂窝夹层结构。金属梁和复合材料梁以及复合材料面板采用胶接与机械连接的混合形式。上、下面板为T300／NY9200G复合材料，厚度从转轴处沿展向逐步递减，弦向向前和向后也逐步递减。夹芯为全高度Nomex芳纶纸蜂窝。1肋由金屑段与复合材料段混合而成。2肋为复合材料。结构简图如图2所示。根据该平尾的结构特点，将该平尾结构离散化。模型共选取了金属杆元12个，金属梁元7个，复合材料杆元

8、88个，金属正应力板元23个，复合材料三角形板元6个，复合材料正应力四边形板元704个、六节点五面体元3个、八节点六面体元352个和1个MPC元作为该有限元应力分析模型的基本元素。模型简图如图3所示。图2平尾结构图3平尾有限元模型5计算结果与强度分析5．1计算结果经过设计载荷情况下的有限元分析，得出蜂窝