專利名稱：一種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料分析技術(shù)，涉及一種提供復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析精度的方法。
背景技術(shù)：
飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度分析主要采用兩種方式進(jìn)行一種是粗網(wǎng)格有限元模型 分析與局部強(qiáng)度校核相結(jié)合方法，這種分析模式會造成細(xì)節(jié)強(qiáng)度分析不準(zhǔn)確，依靠大量試 驗驗證，有時也進(jìn)行局部結(jié)構(gòu)細(xì)網(wǎng)格有限元分析，但局部模型的邊界基本采用固支或簡支， 不能反映真實結(jié)構(gòu)的彈性支持狀態(tài)。第二種是全部采用細(xì)網(wǎng)格進(jìn)行總體應(yīng)力有限元分析， 這種方法對于不復(fù)雜的小型結(jié)構(gòu)還可以，但對于大型復(fù)雜的飛機(jī)結(jié)構(gòu)，有限元模型單元、節(jié) 點數(shù)量龐大，計算機(jī)運(yùn)行困難，非線性分析、優(yōu)化分析根本無法運(yùn)行，很難得到重點關(guān)注部 位應(yīng)力分布。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種分析精度高、成本低的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法，其包括如下步驟步驟1.總體有限元強(qiáng)度分析，對作為分析對象的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何描述，建立總體有限元模型，進(jìn)行總體 有限元強(qiáng)度分析；步驟2.總體有限元強(qiáng)度分析結(jié)構(gòu)以矢量形式保存，將總體應(yīng)力分析得到的各個節(jié)點的位移及受力結(jié)果以矢量形式的位移場和力場 的形式保存顯示出來；步驟3.建立局部有限元模型，對重點部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，取出重點關(guān)注的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)部位，細(xì)化網(wǎng)格，建 立局部有限元模型；步驟4.局部有限元強(qiáng)度分析，將步驟2獲得的邊界條件以位移場和力場的形式施加到局部有限元模型邊界節(jié) 點上，再進(jìn)行進(jìn)一步局部有限元強(qiáng)度分析。局部模型中邊界節(jié)點坐標(biāo)若和總體模型中的節(jié)點一致，則其位移約束就等于對應(yīng) 節(jié)點的位移值。當(dāng)由于細(xì)分而產(chǎn)生的邊界節(jié)點在總體模型中沒有對應(yīng)節(jié)點，其位移約束按照線性 插值給出。本發(fā)明的優(yōu)點是本發(fā)明復(fù)雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高精度分析方法對重點部位進(jìn)行 網(wǎng)格細(xì)化，取出重點關(guān)注的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)部位，細(xì)化網(wǎng)格，使得局部網(wǎng)格數(shù)成倍增加， 并將獲得的邊界條件以位移場和力場的形式施加到局部有限元模型邊界節(jié)點上，再進(jìn)行進(jìn) 一步局部有限元強(qiáng)度分析，經(jīng)與試驗結(jié)果對比，表明分析結(jié)果與試驗結(jié)果具有良好的一致 性，保證了分析精度。而且分析精度的提高，可以有效減少復(fù)合材料構(gòu)件試驗件數(shù)量，縮短研制時間，降低成本，能產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。本發(fā)明復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法在總體有限元模型分析的基礎(chǔ)上，以總體有限 元模型節(jié)點位移和力結(jié)果產(chǎn)生局部細(xì)節(jié)有限元模型的邊界約束條件，保證局部細(xì)節(jié)有限元 的邊界條件與總體有限元模型分析結(jié)果相符。在此基礎(chǔ)上，針對細(xì)節(jié)部位，建立精細(xì)的局部 有限元模型，模擬結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)特征，施加上由總體分析上獲得的局部邊界條件，進(jìn)行更為精確 的細(xì)節(jié)分析，確定結(jié)構(gòu)的局部強(qiáng)度，為結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計提供依據(jù)，從而有效提高了結(jié)構(gòu)分析精 度。本發(fā)明復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法的步驟可以如下表示步驟1.總體有限元強(qiáng)度分析，對作為分析對象的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何描述，根據(jù)變分原理和分割近似原理， 建立總體有限元模型，進(jìn)行總體有限元強(qiáng)度分析；步驟2.總體有限元強(qiáng)度分析結(jié)構(gòu)以矢量形式保存，將總體應(yīng)力分析得到的各個節(jié)點的位移及受力結(jié)果以矢量形式的位移場和力場 的形式保存顯示出來，數(shù)據(jù)采用線性插值形式，便于局部強(qiáng)度分析時應(yīng)用；步驟3.建立局部有限元模型，對重點部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，取出重點關(guān)注的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)部位，細(xì)化網(wǎng)格，使 得局部網(wǎng)格數(shù)成倍增加，并在局部模型中考慮膠接、厚度變化、分層缺陷等細(xì)節(jié)，建立局部 有限元模型；步驟4.局部有限元強(qiáng)度分析，將步驟2獲得的邊界條件以位移場和力場的形式施加到局部有限元模型邊界節(jié) 點上，再根據(jù)變分原理和分割近似原理進(jìn)行進(jìn)一步局部有限元強(qiáng)度分析。因此可以精確地模擬局部模型邊界的彈性支持，而不是簡單地對局部模型邊界施 加簡支或固支條件，使得局部分析結(jié)果更加精確可靠。本發(fā)明復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法由于模擬了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件細(xì)節(jié)的邊界條件， 在局部有限元模型中考慮了連接、分層等因素，提高了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析精度，分析結(jié)果與 試驗結(jié)果相符。通過高精度分析，指導(dǎo)了復(fù)合材料構(gòu)件的設(shè)計，減少了試驗件數(shù)量，縮短了 研制周期，降低了成本。實施例1 直升機(jī)復(fù)合材料機(jī)身框腹板屈曲分析1.幾何描述某直升機(jī)復(fù)合材料機(jī)身框腹板長1000mm，高800mm，四邊與框緣條連 接，在實際受力時受到均布單向軸壓作用，見

圖1?？蚋拱宓牟牧蠟?234/G803，為了減輕重量，框腹板鋪層分為兩個部分1)框腹板中間部分AB⑶的鋪層[45/02/45)]，厚度為 1. 14mm ；2)其余部分的鋪層[45/02/452/02/452/02/45] s,厚度為 6. 84mm,很明顯，當(dāng)整個結(jié)構(gòu)受力時，四邊形AB⑶部分將首先發(fā)生屈曲破壞。
2.總體有限元模型建立及分析根據(jù)復(fù)合材料框腹板的受力和支持情況，建立了總體有限元模型，有限元模型見 圖2，框腹板的一邊節(jié)點約束了 XYZ三個方向的平動自由度，其它邊約束了 Z方向平動自由 度，在受力的單元邊上施加均布單向側(cè)壓載荷，根據(jù)變分原理和分割近似原理進(jìn)行總體有 限元分析，其中，利用所述變分原理和分割近似原理為有限元分析的常用方法。3.總體有限元強(qiáng)度分析結(jié)構(gòu)以矢量形式保存根據(jù)復(fù)合材料框腹板總體分析結(jié)果，將總體模型的所有節(jié)點位移以矢量形式顯示 出來，然后保存為矢量場，見圖3。4.局部分析有限元模型建立及分析將重點關(guān)注部位AB⑶進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，重點關(guān)注部位單元個數(shù)由4個細(xì)化為64個， 節(jié)點個數(shù)由9個增加為81個，邊界節(jié)點個數(shù)由36個增加到72個。同時將由總體分析獲得 的節(jié)點位移結(jié)果，以矢量場的形式施加到局部模型的邊界節(jié)點上，數(shù)據(jù)采用線性插值形式。 再根據(jù)勢能極值原理進(jìn)行局部有限元屈曲分析。局部屈曲分析有限元模型見圖4。5、局部屈曲分析結(jié)果由于對網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化，獲得了計算精度更高、模態(tài)更光順的復(fù)合材料框腹板屈 曲分析結(jié)果，見圖5。分析結(jié)果與試驗結(jié)果具有很好的符合性。實施例2 復(fù)合材料方向舵屈曲分析1.幾何描述某飛機(jī)復(fù)合材料方向舵長3000mm，由前梁、后梁、6個加強(qiáng)肋及左側(cè)蒙皮、右側(cè)蒙 皮組成請參閱圖6，其是復(fù)合材料方向舵結(jié)構(gòu)形式的示意圖，姊肋和3#肋之間的右側(cè)蒙 皮EFGH所受氣動載荷最大，所以是結(jié)構(gòu)分析重點關(guān)注部位。2.總體有限元模型建立及分析根據(jù)復(fù)合材料方向舵的受力和支持情況，建立了總體有限元模型，將方向舵受到 的氣動載荷施加在有限元模型左側(cè)蒙皮節(jié)點上，在方向舵與機(jī)身、垂直安定面、操縱鋼索連 接處施加了約束。請參閱圖7，其是施加了載荷和約束的整體有限元模型示意圖，其中，E，F(xiàn)，G，H為 重點關(guān)注細(xì)節(jié)部位，在總體模型中只劃分為一個單元，根據(jù)變分原理和分割近似原理進(jìn)行 總體有限元分析。3.分析結(jié)果的矢量保存根據(jù)復(fù)合材料方向舵總體分析結(jié)果，將總體模型的節(jié)點位移以矢量形式顯示出 來，利用有限元程序的Fidles功能，將顯示的結(jié)果保存為連續(xù)的矢量場，請參閱圖8，其是 以矢量顯示的總體有限元模型各個節(jié)點的位移示意圖。4、建立局部有限元模型將重點關(guān)注部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，重點關(guān)注部位單元個數(shù)由1個細(xì)化為1 個，節(jié)點 個數(shù)由4個增加為153個，邊界節(jié)點個數(shù)由4個增加到48個。然后給局部模型施加位移邊 界條件，即產(chǎn)生位移約束，施加時不是簡單地在邊界上簡支(只約束邊界各個節(jié)點的三個 平動自由度)或是固支(約束邊界各個節(jié)點的三個平動自由度和三個轉(zhuǎn)動自由度)，而是在 產(chǎn)生邊界節(jié)點位移約束時，調(diào)用總體分析獲得的節(jié)點位移結(jié)果，也就是由第3步中獲得的連續(xù)位移矢量場，以連續(xù)位移矢量場的形式給局部模型的邊界節(jié)點施加相應(yīng)位移。施加時 采用線性插值法，局部模型中邊界節(jié)點坐標(biāo)若和總體模型中的節(jié)點一致，則其位移約束就 等于對應(yīng)節(jié)點的位移值，而由于細(xì)分而產(chǎn)生的邊界節(jié)點在總體模型中沒有對應(yīng)節(jié)點，其位 移約束按照線性插值給出。請參閱圖9，其給出了施加位移邊界條件的局部分析模型示意 圖。5、局部有限元分析根據(jù)變分原理和分割近似原理進(jìn)行局部有限元分析，由于對網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化，獲 得了計算精度更高的方向舵局部屈曲分析結(jié)果，請參閱圖10，其為方向舵局部屈曲分析結(jié) 果示意圖，經(jīng)與試驗結(jié)果對比，表明分析結(jié)果與試驗結(jié)果具有良好的一致性。本發(fā)明復(fù)雜復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高精度分析方法，通過輔助復(fù)合材料構(gòu)件的設(shè)計， 對重點部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，取出重點關(guān)注的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)部位，細(xì)化網(wǎng)格，使得局部網(wǎng) 格數(shù)成倍增加，并將獲得的邊界條件以位移場和力場的形式施加到局部有限元模型邊界節(jié) 點上，再根據(jù)變分原理和分割近似原理進(jìn)行進(jìn)一步局部有限元強(qiáng)度分析，從而可以有效提 高分析精度，減少復(fù)合材料構(gòu)件試驗件數(shù)量，縮短研制時間，降低成本，能產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì) 效益。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法，其特征在于，包括如下步驟步驟1.總體有限元強(qiáng)度分析，對作為分析對象的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何描述，建立總體有限元模型，進(jìn)行總體有限 元強(qiáng)度分析；步驟2.總體有限元強(qiáng)度分析結(jié)構(gòu)以矢量形式保存，將總體應(yīng)力分析得到的各個節(jié)點的位移及受力結(jié)果以矢量形式的位移場和力場的形 式保存顯示出來；步驟3.建立局部有限元模型，對重點部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，取出重點關(guān)注的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)部位，細(xì)化網(wǎng)格，建立局 部有限元模型；步驟4.局部有限元強(qiáng)度分析，將步驟2獲得的邊界條件以位移場和力場的形式施加到局部有限元模型邊界節(jié)點上， 再進(jìn)行進(jìn)一步局部有限元強(qiáng)度分析。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法，其特征在于局部模型中邊界 節(jié)點坐標(biāo)若和總體模型中的節(jié)點一致，則其位移約束就等于對應(yīng)節(jié)點的位移值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法，其特征在于當(dāng)由于細(xì)分而產(chǎn) 生的邊界節(jié)點在總體模型中沒有對應(yīng)節(jié)點，其位移約束按照線性插值給出。
全文摘要
本發(fā)明屬于材料分析技術(shù)，涉及一種提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析精度的方法。本發(fā)明復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析方法對作為分析對象的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何描述，根據(jù)變分原理和分割近似原理，建立總體有限元模型，進(jìn)行總體有限元強(qiáng)度分析；將總體應(yīng)力分析得到的各個節(jié)點的位移及受力結(jié)果以矢量形式的位移場和力場的形式保存顯示出來；然后，對重點部位進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，建立局部有限元模型；再將總體應(yīng)力分析所得的邊界條件以位移場和力場的形式施加到局部有限元模型邊界節(jié)點上，進(jìn)行進(jìn)一步局部有限元強(qiáng)度分析。從而具有較高的分析精度，并能有效減少復(fù)合材料構(gòu)件試驗件數(shù)量，縮短研制時間，降低成本，能產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。
文檔編號G06F17/50GK102136019SQ20111006646
公開日2011年7月27日 申請日期2011年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月21日
發(fā)明者云慶文, 任靜, 劉秀芝, 周國臣, 宮少波, 張震, 徐忠?guī)r, 溫永海, 韓劉, 齊德勝 申請人:哈爾濱飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司