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复合材料加筋板壳的无限次分析系统

发布于:2019-06-12 21:06
无限次分析

      当前,复合材料在军机结构上的广泛应用已是一种体现飞机先进性的重要标志,并且,大型民用飞机也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。实际上,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,且主要采用了加筋层合板壳的结构形式。由于这类结构的主要失效是由丧失稳定性引起的,故为保证其使用的安全性,在飞机结构设计时必须对复合材料加筋板壳结构的稳定性进行分析。对于大型民用飞机而言,其中机身的上壁板一般采用薄壁双向复合材料加筋结构,其极限承载能力设计主要包括强度和稳定性两个方面。然而,对于薄壳结构,在一定程度上,稳定性设计又要比强度设计更为关键些。   
      近年来,虽然国内在复合材料结构稳定性分析方面取得了一定的进展,且编制了一些计算程序,如COMPOSS6,但对双曲度机身复合材料加筋板壳的工程应用和理论研究还有许多工作需要开展。近年来,基于稳定性理论,并综合近十几年来复合材料任意加筋板壳有限单元和复合材料层合板壳及失效理论等方面的成果,开发了机身复合材料加筋板壳结构的稳定性及无限次分析程序系统(CSSAP)。通过一些算例与相关文献结果的对比,表明本程序系统能够满足工程上分析精度的要求。同时,通过对实际机身一个典型复合材料加筋板壳的计算,表明本程序系统也能用于复杂工程结构的分析。
      为满足飞机设计人员在实际工程中面对复合材料复杂加筋板壳时的需求,即:①在初始设计阶段,寻找一种简单易行的无限次单元,为飞机的打样设计提供技术支持;②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坏载荷和失稳载荷,为飞机结构设计提供技术支持;③运用稳定性和强度理论及有效分析手段(无限次或开发专用程序)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)。CSSAP正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和结构承载能力提供设计分析手段。
      CSSAP可进行复合材料(加筋)板壳的线性稳定性和强度分析,判断经典线性屈曲载荷存在与否,并在考虑强度的条件下,给出其渐近求解过程。还可进行复合材料(加筋)板壳的非线性稳定性和强度分析,给出大变形下每一个增量步上各单元的变形和应力情况,结合层内、层间失效和刚度衰减判断结构是否破坏。
      CSSAP具有如下特点:①与飞机工程实际结合密切。在系统中,无论是有限单元的选择还是结构失效判据的选取,都考虑了实际大型复杂结构可能的形状、边界条件、精度要求以及实际的复合材料体系。②可对经典线性屈曲载荷进行判断及求解。③可预测层间失效。以往的分析程序系统一般只能预测加载情况下层内的失效。但是,复合材料结构层间才是最薄弱的部位,层间分析是不可忽略的。CSSAP将复合材料板壳的每一层都看做处于三维受力状态,可求出层内、层间的应力,可同时预测层内和层间的失效。④可处理加筋的情况。在常见的理论和算例分析中,复合材料加筋板壳的结构形式如图所示,其中的筋是薄的矩形筋,且筋的铺层面与板壳的铺层面基本上平行,但工程实际中是无法铺出这种结构加筋的。


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