CN103984802A - 一种蜂窝夹层结构的有限元建模简化方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于有限元建模领域，涉及一种蜂窝夹层结构的有限元建模简化方法，步骤如下：将蜂窝夹层结构根据刚度变化的区域性进行分割；针对不同区域的结构刚度，进行力学等效：根据蜂窝夹层结构区域划分有限元网格，单元选择板单元，利用有限元建模软件建立单元的空间拓扑关系、填写蜂窝结构材料性能数据、按照第二步刚度等效的结果填写不同区域的单元属性，完成蜂窝夹层结构的有限元建模。本方法的优点：通过将不同区域的蜂窝蒙皮结构进行刚度等效，将一个蜂窝夹层结构简化为几个不同刚度的板单元，根据面内刚度和弯曲刚度分别按照刚度等效进行简化，实现飞机全机有限元模型下蜂窝结构的有限元建模简化，提高飞机结构强度设计和计算的精准度。

Description

一种蜂窝夹层结构的有限元建模简化方法

技术领域

本发明属于有限元建模领域，涉及一种蜂窝夹层结构的有限元建模简化方法。

背景技术

在飞机全机有限元模型中，受总体网格规模的限制，一般是将蜂窝夹层结构简化成一个或者是几个二维板单元，单元参数只填写一个厚度参数，通常取蜂窝内外蒙皮之和。而实际蜂窝夹层结构分为边缘区域、过渡区域和中间区域，不同区域的结构刚度以及同一个区域不同方向的刚度显然不同，只填写一个厚度参数无法兼顾不同区域和同一区域不同方向刚度的变化。

发明内容

本发明的目的是：提供一种蜂窝夹层结构的有限元建模简化方法，解决飞机总体有限元模型中由于网格和模型规模限制而无法精确简化蜂窝夹层结构的问题，以实现结构强度的精准化设计。

本发明的技术方案是：一种蜂窝夹层结构的有限元建模简化方法，其特征包括如下步骤：

第一，将蜂窝夹层结构根据刚度变化的区域性进行分割，包括以下几个区域：

边缘区域：没有蜂窝结构的区域；

过渡区域：从没有蜂窝结构到全蜂窝高度的区域；

中间区域：全蜂窝高度的区域。

第二，针对不同区域的结构刚度，进行力学等效：

边缘区域单元属性中，面内刚度和抗弯刚度参数均取蜂窝结构内外蒙皮的厚度之和，即t₁+t₂；

过渡区域单元属性中，面内刚度参数取外蒙皮厚度t₂，抗弯刚度取蜂窝结构内外蒙皮的厚度之和t₁+t₂；

中间区域有限元模型中填写单元的厚度参数时，面内刚度取外蒙皮厚度t₂，抗弯刚度取按下式等效后的厚度t＇；

$t^{\′}={\left[\frac{12h^2{t}_1{t}_2}{(t_1+t_2)}\right]}^{\frac{1}{3}}---\left(1\right)$

式中：t₁、t₂为蜂窝夹层结构内、外蒙皮的厚度

h为蜂窝夹层结构的高度

t＇为抗弯刚度等效后的蒙皮厚度

第三，根据蜂窝夹层结构区域划分有限元网格，单元选择板单元，利用有限元建模软件建立单元的空间拓扑关系；填写蜂窝结构材料性能数据，按照第二步刚度等效的结果填写不同区域的单元属性，完成蜂窝夹层结构的有限元建模。

本方案的优点是：本方法通过将不同区域的蜂窝蒙皮结构进行刚度等效，将一个蜂窝夹层结构简化为几个不同刚度的板单元，在填写每个单元的参数时，可根据面内刚度和弯曲刚度分别按照刚度等效进行简化，以实现飞机全机有限元模型下蜂窝结构的有限元建模简化，提高飞机结构强度设计和计算的精准度。

针对蜂窝结构刚度变化划分区域，按照面内刚度和抗弯刚度进行力学等效，准确模拟蜂窝结构不同区域的刚度，提高板单元模拟三维蜂窝夹层结构的精准度。

附图说明

图1为蜂窝夹层结构示意图

具体实施方式

下面通过一个蜂窝夹层结构的有限元简化建模实例并结合附图对本方法做进一步详细的描述。

1.针对具体蜂窝夹层结构形式，其几何参数为内外蒙皮厚度均为t₁=t₂=0.8mm，蜂窝高度为h=15mm，根据结构刚度变化的情况划分区域：边缘区域1、过渡区域2和中间区域3。

2.针对不同区域的结构刚度，进行力学等效简化：

边缘区域单元属性中，面内刚度和抗弯刚度参数均取蜂窝结构内外蒙皮的厚度之和，即0.8+0.8=1.6mm；

过渡区域单元属性中，面内刚度参数取外蒙皮厚度0.8mm，抗弯刚度取蜂窝结构内外蒙皮的厚度之和1.6mm；

中间区域有限元模型中填写单元的厚度参数时，面内刚度取外蒙皮厚度0.8mm，抗弯刚度取按（1）式等效后的厚度：

$t^{\′}={\left[\frac{12h^2{t}_1{t}_2}{(t_1+t_2)}\right]}^{\frac{1}{3}}={\left[\frac{12\×{15}^2\×0.8\×0.8}{0.8+0.8}\right]}^{\frac{1}{3}}=10.3\mathrm{mm}$

3.采用工程常用的PATRAN有限元建模软件进行建模，首先根据蜂窝夹层结构区域划分有限元网格，单元选择Quad4单元，局部过渡区域采用Tria3单元；其次，填写蜂窝结构材料性能数据，本实例中蜂窝和蒙皮均为钛合金，材料为TC4，弹性模量E=109GPa，μ=0.34;最后按照刚度等效的结果填写不同区域的单元属性，完成蜂窝夹层结构的有限元建模。

Claims (1)

1.一种蜂窝夹层结构的有限元建模简化方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一，将蜂窝夹层结构根据刚度变化的区域性进行分割，包括以下几个区域：

边缘区域：没有蜂窝结构的区域；

过渡区域：从没有蜂窝结构到全蜂窝高度的区域；

中间区域：全蜂窝高度的区域。

第二，针对不同区域的结构刚度，进行力学等效：

边缘区域单元属性中，面内刚度和抗弯刚度参数均取蜂窝结构内外蒙皮的厚度之和，即t₁+t₂；

过渡区域单元属性中，面内刚度参数取外蒙皮厚度t₂，抗弯刚度取蜂窝结构内外蒙皮的厚度之和t₁+t₂；

中间区域有限元模型中填写单元的厚度参数时，面内刚度取外蒙皮厚度t₂，抗弯刚度取按下式等效后的厚度t＇；

$t^{\′}={\left[\frac{12h^2{t}_1{t}_2}{(t_1+t_2)}\right]}^{\frac{1}{3}}---\left(1\right)$

式中：t₁、t₂为蜂窝夹层结构内、外蒙皮的厚度

h为蜂窝夹层结构的高度

t＇为抗弯刚度等效后的蒙皮厚度

第三，根据蜂窝夹层结构区域划分有限元网格，单元选择板单元，利用有限元建模软件建立单元的空间拓扑关系；填写蜂窝结构材料性能数据，按照第二步刚度等效的结果填写不同区域的单元属性，完成蜂窝夹层结构的有限元建模。