某復(fù)合材料機(jī)身靜強(qiáng)度計(jì)算

朱亞輝

摘? 要：蜂窩材料作為蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的夾芯，由于其很高的比強(qiáng)度、比剛度等一系列傳統(tǒng)材料不具備的優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，成為航空、航天蒙皮的主要材料之一。以某型號(hào)紙蜂窩為分析對(duì)象，采用三明治夾心實(shí)體單元模擬蜂窩結(jié)構(gòu)，機(jī)體結(jié)構(gòu)常采用殼，單元應(yīng)用MSC/NASTRAN軟件對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬。

關(guān)鍵詞：蜂窩結(jié)構(gòu);三明治理論;數(shù)值分析

中圖分類號(hào)：V435+.13 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）17-0018-03

Abstract： Honeycomb material is the sandwich of honeycomb sandwich structure. Due to its high specific strength， specific stiffness and other advantages that a series of traditional materials do not have， honeycomb material has been widely used in the field of aviation and spaceflight. It has become one of the main materials of aerospace skin. Taking a certain type of paper honeycomb as the analysis object， the sandwich solid element is used to simulate the honeycomb structure， the shell is often used to simulate the honeycomb structure， and MSC/NASTRAN software is used to simulate the honeycomb structure.

Keywords： honeycomb structure; sandwich theory; numerical analysis

1 概述

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)一般由蒙皮材料與中間層的蜂窩芯體構(gòu)成，蒙皮通常采用強(qiáng)度較高的薄板材料。許多飛機(jī)的機(jī)身和機(jī)翼均由蜂窩結(jié)構(gòu)材料制成[1]。

夾芯是夾層結(jié)構(gòu)的重要組成部分，合理的夾芯結(jié)構(gòu)可以大大減輕夾層結(jié)構(gòu)的重量。由于正六邊形蜂窩用料省、制造簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)效率高以及強(qiáng)度高，已經(jīng)在飛機(jī)上得到廣泛應(yīng)用。本文以正六邊形蜂窩板為研究對(duì)象，采用MSC/NASTRAN大型通用軟件對(duì)某飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元計(jì)算，采用三明治夾心板理論對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效處理。圖2給出蜂窩胞元示意圖。

2 三明治夾心板理論

三明治夾芯板理論是對(duì)蜂窩夾芯進(jìn)行等效的一種有效的方法，假定芯層能抵抗橫向剪切變形并且具有一定的面內(nèi)剛度，上、下蒙皮層服從Kirchhoff假設(shè)，忽略其抵抗橫向剪應(yīng)力的能力。在以上假設(shè)條件下，蜂窩芯層可以被等效為一均質(zhì)的厚度不變的正交異性層。對(duì)于正六邊形蜂窩，等效彈性參數(shù)表示如下[2]：

其中E、G為夾芯材料的工程常數(shù);l、t分別為蜂窩胞元壁板的長(zhǎng)度和厚度;γ為修正系數(shù)，取決于工藝，一般取0.4～0.6，理論值取1.0。

3 數(shù)值分析

3.1 有限元模型描述

由于蒙皮很薄（0.6mm），有限元模型采用了殼單元（圖3a）和體單元（圖3b）混合方式，蜂窩按照三明治夾心板理論分為芯體和上、下蒙皮兩部分，蒙皮采用殼單元，蜂窩芯體按體單元建立模型，其余結(jié)構(gòu)則按殼單元建立模型，殼單元與蜂窩芯體體單元中心線連接（圖3）。

約束方式為模型底部全約束，載荷的施加點(diǎn)為試驗(yàn)作動(dòng)筒加載點(diǎn)，載荷點(diǎn)與試驗(yàn)件的連接采用多點(diǎn)約束RBE3（圖4）。

3.2 材料參數(shù)

所有殼單元采用鋁合金材料，彈性模量E=67.6GPa，泊松比μ=0.33。復(fù)合材料蒙皮為鋁材，復(fù)合材料芯體為紙基，采用正交各向異性材料，材料參數(shù)為：

3.3 計(jì)算結(jié)果

由圖5可以看出，總體變形為5.38mm，與實(shí)驗(yàn)測(cè)試位移5.23mm，相對(duì)誤差為2.8%;由圖6可以看出，最大等效應(yīng)力為128MPa，出現(xiàn)位置為蜂窩板的上部。

表1給出了局部坐標(biāo)系下蜂窩面的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，局部坐標(biāo)系主應(yīng)力（X方向，厚度方向）的最大值出現(xiàn)在約束位置。

4 結(jié)論

以紙基正六邊形蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，驗(yàn)證了力學(xué)等效模型及其等效彈性常數(shù)的正確性，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果相對(duì)誤差在3%以內(nèi)。為蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)和相類似工程結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了重要的參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]中國(guó)航空研究院.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性指南[M].北京：航空工業(yè)出版社，2002.

[2]沈觀林，胡更開(kāi).復(fù)合材料力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.