飛行器典型復合材料格柵結構力學性能仿真分析

王贊凱，楊 森，徐浩然，賈澤暉，李政翰

（沈陽航空航天大學 遼寧 沈陽 110136）

0 引言

復合材料格柵結構現已成功應用在整流罩、箱間段、級間段、尾翼等航天器結構和機身、艙體、機翼、尾翼等航空器結構中，當前也有較多研究成果：周洲等[1]分析格柵結構U 型槽關鍵參數和等效應力關系后解得了格柵板角度和厚度的理論最優值；王亞楠等[2]經仿真分析與實驗驗證得出：在體積一定時，適度降低單層格柵厚度以增加格柵密度可明顯提高夾芯板抗彎剛度；蔣詩才等[3]基于Shell 單元預測了格柵結構的機械性能，計算結果表明：隨格柵肋板高度增加，蒙皮對結構性能貢獻減少，結構的拉伸和彎曲性能均呈下降趨勢；KERMANI 等[4]以芯部幾何尺寸與加強肋材料類型為變量，基于遺傳算法優化了復合材料夾層結構的振動頻率；GAO 等[5]對玻璃纖維復合材格柵進行了三點和四點彎曲實驗，經建立并分析失效機理模型，提出了增強彎曲剛度的方法；VASILIEV[6]以質量最小準則為考量，確定了某種復合材料圓柱網格殼的優化設計參數解析解。本文將建立三種典型飛行器復材格柵結構簡化模型，運用數值模擬法對其施載后分析與比較三者的力學性能。

1 復合材料格柵結構模型建立

1.1 幾何參數設定與三維模型繪制

飛行器復合材料格柵結構模型由格柵肋板和表面蒙皮構成，鑒于結構實際尺寸較大且形狀復雜，本文只分析較小尺寸的簡化模型。格柵結構按胞元構型劃分可主要分為以下六種：蜂窩形、矩形、米字形、Kagome、三角形和金剛石形，如圖1所示。本文選取最典型的三種格柵結構，即蜂窩形、三角形和矩形格柵結構并分析其力學性能。結構模型長為100 mm，寬為60 mm，高為24 mm。其中夾層高度為20 mm，蒙皮高度為2 mm，肋板厚度約為1 mm。

圖1 六種格柵結構平面圖

1.2 材料屬性設定、載荷施加與邊界設定

格柵結構材料選用熱壓成型的連續增強聚丙烯材料，為簡化仿真計算，現作以下假設：蒙皮與格柵夾層接觸面黏結牢固，在對格柵板施加載荷時不會產生相對滑動；為便于劃分網格，格柵板結構中所有倒角簡化為直角；為不影響實驗結果，忽略重力對格柵板力學性能的影響；同時對材料用彈性、各向同性處理。該材料楊氏模量為17.7 Gpa；泊松比為0.14；密度為1.8 g/cm3。為更好模擬格柵結構實際服役受力情況，現對三種復合材料格柵結構模型表面分別施加均布載荷和集中載荷。模擬加壓條件為直接對格柵夾層結構施加均布載荷與通過剛性板間接加壓方式。施加均布載荷情況：選定格柵上蒙皮為施壓平面，加載大小為5 Pa。之后在下蒙皮創建約束，防止其加載過程中產生位移導致實驗失敗，創建邊界條件，類型為力學、位移轉角，并選擇下蒙皮為邊界條件集合；施加集中載荷情況：選定蒙皮中心為載荷參考點，上下蒙皮加載大小均為5 Pa，因在該種情況下格柵結構不涉及位置約束，故無須設置邊界條件。

1.3 格柵結構網格劃分

為得到更好的網格劃分效果，首先將肋板交接處單獨劃分為六面體，并將格柵晶胞間相連處劃分為三角形。創建截面完成后編輯拉伸，深度為20 mm。保留內部邊界，拉伸后為部件布種，設置三種格柵的結構近似全局尺寸均為1.5，最大偏離因子為0.1。之后指派網格控制屬性，選擇六面體結構對格柵結構劃分網格。

2 復合材料格柵結構力學性能仿真

本部分將把三維模型導入ABAQUS 仿真軟件中進行數值模擬，并多角度觀察、分析與比較三種飛行器復材格柵結構的Mises 應力云圖，通過分析局部表現了解結構整體力學性能，以蒙皮中心為載荷參考點，模擬蜂窩形格柵、三角形格柵與矩形格柵結構分別受兩種載荷時的應力見圖2與圖3。觀察得到三種結構受均布載荷以及受集中載荷時的應力均增大且呈現結構對稱性，同時節點附近應力變化明顯。本研究中建立的復合材料格柵結構只是一種簡化模型，并不能完全模擬其在實際服役過程中受多重載荷時的表現，但是這種結構優化設計理論可為航空航天器結構設計的輕量化與安全性能等提供一定的參考。

2.1 結構受均布載荷分析與比較

當三種典型格柵結構表面受大小為5 Pa 的均布載荷時，各結構應力狀態如圖2所示。因格柵夾層起主要的承力作用，所以觀察重點是格柵夾層和切面。由于未對三類結構做封邊處理，同時施加鉸支約束處受載時會被限制變形，結構內部不能通過變形消耗能量，因此上蒙皮應力不均，邊緣出現應力集中現象，其中矩形格柵蒙皮應力集中現象最為明顯。格柵上蒙皮在均布載荷的作用下會有輕微的變形，而下蒙皮因有位置約束所以應力較均勻。同時，對于蒙皮與格柵夾層連接處，蒙皮上的節點應力較大，夾層對應位置因能量向中間傳遞而應力較小。

圖2 三種格柵結構受均布載荷時蒙皮、夾層與切面應力圖

分析與比較三種結構應力數值可以發現：三角形格柵結構各處應力大概為其余兩種的一半，其最大應力值比蜂窩形結構小50.2%，并僅是矩形格柵結構的50.7%。對格柵上表面施載時，三角形格柵夾層的應力變化與其他兩種格柵板相比最為明顯，且當壓力從上蒙皮傳遞到格柵部分時，接觸相鄰部分出現了應力集中現象。六邊形格柵夾層中的力從上向下傳遞較均勻且應力值較小，而矩形格柵板的整體應力數值為三者中最小，但傳力并不均勻，這可能會導致其受到較大載荷作用時發生局部損傷情況。

2.2 結構受集中載荷分析與比較

當三種典型格柵結構上下蒙皮受大小為5 Pa 的集中載荷時，各結構應力狀態如圖3所示。應力會從載荷中心向結構四周擴散，中間胞元橫、縱、斜向格柵板承力最大。對于蒙皮與格柵夾層連接處：蜂窩形格柵橫向肋板、三角形和矩形格柵節點附近均會出現應力集中現象。同時每小段格柵板四周的能量均會向中央部位傳遞，其中三角形胞元最為明顯。分析與比較三種結構應力數值可以發現，矩形格柵結構最大應力值較蜂窩形結構小18.9%，同時比三角形結構蒙皮最大應力值小10.2%。

圖3 三種格柵結構受集中載荷時蒙皮、夾層與切面應力圖

六邊形格柵和矩形格柵中部應力分布較均勻，有較好的抗壓性能；三角形格柵結構內部應力分布很不均勻，中間部位整體應力與上下蒙皮相差很大，出現了較大范圍的應力集中現象；矩形格柵結構整體應力較其余兩者偏小，呈現中部大、上下小的特點，同時格柵肋板與上下蒙皮接觸點處應力值較大，這可能會導致其受到較大載荷作用時出現應力集中。上述分析基于該矩形格柵結構模型為側面封邊情況，若去掉封邊，結構部分區域或出現應力集中現象。上述分析與比較說明在該工況下矩形格柵結構抵御變形的能力最強。

3 結論

復合材料憑借重量輕、強度高、耐腐蝕、抗疲勞等優點已被廣泛應用。格柵結構有較高的結構承載力、優良的穩定性、較強的抗屈曲能力以及較高的比強、比剛度；空間開放，便于檢修和多功能設計。在飛行器上應用復合材料格柵結構可集中新材料和新構形的優點，大幅提升整體飛行性能。本文圍繞三種典型飛行器復合材料格柵結構，模擬實際服役加載情況，對三種結構模型進行了仿真實驗，經分析與比較后得到以下結論：

（1）蜂窩形、三角形和矩形格柵結構不論是受均布載荷還是受集中載荷，其整體應力均會增大且呈現結構對稱分布；由于夾層肋板與蒙皮連接的節點會將所受應力傳遞給相連的多個格柵胞元，且在傳遞過程中有能量消耗，所以格柵結構節點處應力變化較明顯。

（2）對復材格柵結構表面施加大小為5 Pa 的均布載荷時，三角形格柵結構各處應力大致為其余二者的一半；對格柵結構上下蒙皮施加大小為5 Pa 的集中載荷時，矩形格柵結構最大應力比其余二者小10%～19%左右。

（3）基于拓撲性質對典型格柵結構建模時以三種夾層胞元大小近似、數目盡量多為原則。上述分析與比較說明：在同體積但不同質量和胞元厚度的條件下，相較于三角形和矩形格柵結構，蜂窩形格柵夾層胞元密度最小，抵抗變形能力最弱。