金暉

【摘 要】本文介紹了以不同的方式讀取PATRAN中復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的單向應(yīng)變和主應(yīng)變，比較了兩種方式讀取工作應(yīng)變的差異，闡述了差異產(chǎn)生的原因，指明復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在應(yīng)變分析中需要根據(jù)不同的應(yīng)變分析要求讀取工作應(yīng)變。

【關(guān)鍵詞】復(fù)合材料；單向應(yīng)變；主應(yīng)變；工作應(yīng)變；許用應(yīng)變

0 引言

復(fù)合材料由于密度小、比強度和比模量高、抗疲勞性能優(yōu)越、性能可設(shè)計和易于整體成形的優(yōu)異特性，自20世紀(jì)60年代誕生起就顯示了強大的生命力。復(fù)合材料設(shè)計與制造技術(shù)的發(fā)展和成熟，推動了其在民用飛機中的廣泛應(yīng)用。近年來，低成本、高性能的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)越來越多的應(yīng)用到民用飛機上。如空客A350和波音787飛機上都采用了大量的復(fù)合材料。

1 復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)變校核

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用的背后，隱藏的是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造。其中復(fù)合材料設(shè)計的優(yōu)劣需要通過強度分析結(jié)合驗證試驗來完成適航驗證。

對于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的強度分析來說，首當(dāng)其沖的就是應(yīng)變分析。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)通過設(shè)計許用值試驗，獲取復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的拉伸、壓縮和剪切性能的許用應(yīng)變。再通過PATRAN軟件建立復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的有限元模型，運用NASTRAN軟件計算出內(nèi)力解，獲取對應(yīng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的工作應(yīng)變，通過公式（1）進(jìn)行應(yīng)變強度分析，獲取結(jié)構(gòu)應(yīng)變安全裕度。

需要注意的是，在應(yīng)變分析中，工作應(yīng)變采用單向應(yīng)變還是主應(yīng)變需要根據(jù)強度計算原則頂層文件來選取。通常選擇主應(yīng)變進(jìn)行應(yīng)變分析更加保守。

2 PATRAN中的主應(yīng)變讀取

在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算過程中，可以選擇按照單層輸出內(nèi)力結(jié)果，也可以選擇按照層板輸出內(nèi)力結(jié)果。通常按照復(fù)合材料層板輸出內(nèi)力結(jié)果，得到的是上下面板的內(nèi)力結(jié)果，如圖1所示。

以復(fù)合材料單元5444246和5430452為例，采用兩種方式讀取的復(fù)合材料主應(yīng)變分別如圖2和圖3所示。

通過比較可以發(fā)現(xiàn)，單元5444246兩種方式讀取的主應(yīng)變各不相同，單元5430452兩種方式讀取的主應(yīng)變完全相同。這是因為Fringe方式是將上下面板分別計算得到的主應(yīng)變平均后作為層板的主應(yīng)變，而Tensor方式是先通過上下面板平均后得到層板的單向應(yīng)變，再計算得出層板的主應(yīng)變。

對于上下面板單向應(yīng)變方向相同的單元，這兩種方式讀取的結(jié)果相同；但對于上下面板單向應(yīng)變方向相反的單元，這兩種方式讀取的結(jié)果就完全不同。這是因為上下面板單向應(yīng)變方向相反時，表示復(fù)合材料層板承受彎曲，彎曲引起了偏心影響。因此，采用單向應(yīng)變進(jìn)行復(fù)合材料應(yīng)變分析時，兩種方式都可以。倘若采用主應(yīng)變進(jìn)行復(fù)合材料應(yīng)變分析，建議采用第二種方式讀取單元應(yīng)變，避免由于彎曲引起的偏心影響。

3 總結(jié)與展望

本文對PATRAN中復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)變的讀取方式進(jìn)行了介紹，指出了采用兩種方式讀取復(fù)合材料應(yīng)變的差異，并對差異產(chǎn)生的原因進(jìn)行了闡述。在復(fù)合材料應(yīng)變分析過程中，可以采用單向應(yīng)變和主應(yīng)變進(jìn)行強度分析。通常采用主應(yīng)變方式進(jìn)行復(fù)合材料應(yīng)變分析更加保守，這時需要合理選取復(fù)合材料應(yīng)變的讀取方式，保證強度分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

近年來，波音、空客等飛機制造商采用單向應(yīng)變和復(fù)合應(yīng)變相結(jié)合的方式進(jìn)行復(fù)合材料的強度分析，即在滿足單向應(yīng)變的前提下還要滿足復(fù)合應(yīng)變的強度分析。具體采用雙向復(fù)合應(yīng)變還是三向復(fù)合應(yīng)變進(jìn)行強度分析，需要根據(jù)具體飛機型號強度計算原則來執(zhí)行。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]