CN111144049B - 一种复合材料开孔翼梁安全裕度计算方法 - Google Patents

一种复合材料开孔翼梁安全裕度计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合材料开孔翼梁安全裕度计算方法，包括步骤1：建立复合材料开孔翼梁的细节有限元模型；步骤2：对复合材料开孔翼梁的细节有限元模型施加边界条件和工作载荷；步骤3：对复合材料开孔翼梁的细节有限元模型进行应力求解，计算开孔强度的安全裕度MS1；步骤4：对复合材料开孔翼梁的细节有限元模型进行稳定性求解，计算稳定性的安全裕度MS2；步骤5：比较开孔强度的安全裕度MS1与稳定性的安全裕度MS2，取两者中较小者作为复材开孔翼梁的安全裕度，本发明根据具有相同铺层比例的平板试验结果确定了翼梁开孔的孔边强度，方法简单、便于使用，同时在考虑孔边强度和整体稳定性两者因素的情况下，给出了复材开孔翼梁的安全裕度计算方法，结果可靠。

Description

一种复合材料开孔翼梁安全裕度计算方法
技术领域
本发明属于航空强度技术领域，尤其涉及一种复合材料开孔翼梁安全裕度计算方法。
背景技术
复合材料翼梁是飞机设计中常见的结构，通常作为机体的主传力结构，为减轻重量、充分挖掘结构承载能力，需要设计人员准确预估出其承载能力。通常为了维修或系统管路安装的需要，梁腹板上均开有较大的通过孔，为了对结构局部进行加强，孔边通常局部加厚，即有明显的凸台，而由于复材制造工艺特点，通常只能在腹板远离制造模具贴胎面的一侧增加凸台，这就造成了结构的非对称性，进一步增加了对其承载能力评估的难度。
对于复材开孔翼梁的承载能力，需要考虑两个方面：开孔强度和整体稳定性。目前均没有可靠的工程方法可用，对于开孔强度，由于复合材料的多相性和分散性，很难通过理论方法预测其破坏强度，实际即使对于无孔的平板结构，目前也难以通过已有的复材失效理论预测其破坏强度；而关于整体稳定性，大多数文献给出的方法都仅适用于无开孔的平板，一般还是需要有限元方法来进行计算，但在进行有限元分析时，关于载荷和约束的施加方式并没有标准，不同的处理方式会导致较大的差异。
发明内容
本发明的目的：提出一种复合材料开孔翼梁安全裕度计算方法，对于复合材料开孔翼梁，适用于其承载能力的预估。
本发明的技术方案：
一种复合材料开孔翼梁安全裕度计算方法，包括以下步骤：
步骤1：建立复合材料开孔翼梁的细节有限元模型；
步骤2：对复合材料开孔翼梁的细节有限元模型施加边界条件和工作载荷；
步骤3：对复合材料开孔翼梁的细节有限元模型进行应力求解，计算开孔强度的安全裕度MS1；
步骤4：对复合材料开孔翼梁的细节有限元模型进行稳定性求解，计算稳定性的安全裕度MS2；
步骤5：比较开孔强度的安全裕度MS1与稳定性的安全裕度MS2，取两者中较小者作为复材开孔翼梁的安全裕度。
步骤1所述的建立复合材料开孔翼梁的细节有限元模型，建模参数包括结构尺寸和复合材料的铺层信息。
步骤1所述的复合材料开孔翼梁的细节有限元模型，不含梁缘条，仅含有矩形的梁腹板，但要求所述模型中包含且真实准确的体现出开孔位置、尺寸、孔边加强及腹板上加强角材或局部变厚度的细节特征。
步骤2所述的边界条件为四边简支。
步骤2所述的施加工作载荷，具体为：按照梁腹板实际承受的工作载荷在梁腹板四周施加均匀的线分布载荷。
步骤3所述的对复合材料开孔翼梁的细节有限元模型进行应力求解，得到孔边的最大拉伸工作应变εt和压缩工作应变εc。
步骤3所述的计算开孔强度的安全裕度MS1，计算公式为：
Figure BDA0002333873680000021
式中：[ε]t、[ε]c分别为许用拉伸应变和压缩应变。
步骤4所述的对复合材料开孔翼梁的细节有限元模型进行稳定性求解，得到失稳系数λ。
步骤4所述的计算稳定性的安全裕度MS2，计算公式为：MS2＝λ-1。
本发明的有益效果：与现有技术相比较：本发明根据具有相同铺层比例的平板试验结果确定了翼梁开孔的孔边强度，方法简单、便于使用，同时在考虑孔边强度和整体稳定性两者因素的情况下，给出了复材开孔翼梁的安全裕度计算方法，经试验验证，结果可靠。
具体实施方式
本发明所述的一种复合材料开孔翼梁安全裕度计算方法，包括以下步骤：
步骤1：建立复合材料开孔翼梁的细节有限元模型；建模参数包括结构尺寸和复合材料的铺层信息，复合材料开孔翼梁的细节有限元模型，不含梁缘条，仅含有矩形的梁腹板，但要求所述模型中包含且真实准确的体现出开孔位置、尺寸、孔边加强及腹板上加强角材或局部变厚度的细节特征。
步骤2：对复合材料开孔翼梁的细节有限元模型施加边界条件和工作载荷；边界条件为四边简支，施加工作载荷，具体为：按照梁腹板实际承受的工作载荷在梁腹板四周施加均匀的线分布载荷。
步骤3：对复合材料开孔翼梁的细节有限元模型进行应力求解，得到孔边的最大拉伸工作应变εt和压缩工作应变εc，根据与孔边加厚区相同铺层比例的无缺口平板拉伸和压缩结果，考虑环境影响因子的影响，作为许用应变，然后按照下式计算开孔强度的安全裕度，计算开孔强度的安全裕度MS1；计算公式为：
Figure BDA0002333873680000031
式中：[ε]t、[ε]c分别为许用拉伸应变和压缩应变。
步骤4：对复合材料开孔翼梁的细节有限元模型进行稳定性求解，得到失稳系数λ，计算稳定性的安全裕度MS2；计算公式为：MS2＝λ-1。
步骤5：比较开孔强度的安全裕度MS1与稳定性的安全裕度MS2，取两者中较小者作为复材开孔翼梁的安全裕度。
本发明根据具有相同铺层比例的平板试验结果确定了翼梁开孔的孔边强度，方法简单、便于使用，同时在考虑孔边强度和整体稳定性两者因素的情况下，给出了复材开孔翼梁的安全裕度计算方法，经试验验证，结果可靠。

Claims (5)

1.一种复合材料开孔翼梁安全裕度计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：建立复合材料开孔翼梁的细节有限元模型；
步骤2：对复合材料开孔翼梁的细节有限元模型施加边界条件和工作载荷；
步骤3：对复合材料开孔翼梁的细节有限元模型进行应力求解，得到孔边的最大拉伸工作应变εt和压缩工作应变εc；计算开孔强度的安全裕度MS1，计算公式为：
Figure FDA0004178634000000011
式中：[ε]t、[ε]c分别为许用拉伸应变和压缩应变；
步骤4：对复合材料开孔翼梁的细节有限元模型进行稳定性求解，得到失稳系数λ，计算稳定性的安全裕度MS2，计算公式为：MS2＝λ-1；
步骤5：比较开孔强度的安全裕度MS1与稳定性的安全裕度MS2，取两者中较小者作为复材开孔翼梁的安全裕度。
2.根据权利要求1所述的一种复合材料开孔翼梁安全裕度计算方法，其特征在于：步骤1所述的建立复合材料开孔翼梁的细节有限元模型，建模参数包括结构尺寸和复合材料的铺层信息。
3.根据权利要求1所述的一种复合材料开孔翼梁安全裕度计算方法，其特征在于：步骤1所述的复合材料开孔翼梁的细节有限元模型，不含梁缘条，仅含有矩形的梁腹板，但要求所述模型中包含且真实准确的体现出开孔位置、尺寸、孔边加强及腹板上加强角材或局部变厚度的细节特征。
4.根据权利要求1所述的一种复合材料开孔翼梁安全裕度计算方法，其特征在于：步骤2所述的边界条件为四边简支。
5.根据权利要求1所述的一种复合材料开孔翼梁安全裕度计算方法，其特征在于：步骤2所述的施加工作载荷，具体为：按照梁腹板实际承受的工作载荷在梁腹板四周施加均匀的线分布载荷。
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