一种基于细节有限元模拟的蜂窝夹层斜削区结构分析方法技术

本发明专利技术提出一种基于细节有限元模拟的蜂窝夹层斜削区结构分析方法，属于复合材料结构强度设计领域。本发明专利技术根据蜂窝夹层结构实际构型详细建模，实现对蜂窝夹层结构的真实模拟，从而准确得到蜂窝斜削区结构的内力分布。本发明专利技术利用2D单元模拟蜂窝夹层结构上下面板和蜂窝网格，有限元模型加载之后，根据求解结果，得到上下面板格间屈曲能力和蜂窝格子屈曲能力，并通过控制结构对应单元属性，调整结构应力应变水平大小，实现结构的优化设计。本发明专利技术实现了对受力形式复杂的斜削区的真实模拟，有助于提高设计效率，降低设计成本，缩短设计周期。缩短设计周期。缩短设计周期。

【技术实现步骤摘要】
一种基于细节有限元模拟的蜂窝夹层斜削区结构分析方法


[0001]本专利技术属于复合材料结构强度设计领域，涉及一种基于细节有限元模拟的蜂窝夹层斜削区结构分析设计方法。

技术介绍

[0002]蜂窝夹层结构具有重量轻、抗弯刚度高的特点，广泛应用在航空、汽车、轨道交通行业中，在结构轻量化设计中起到重要作用。蜂窝夹层结构通常由上下面板和中部蜂窝夹心层组成，上下面板主要承受轴向和剪切载荷，夹芯结构为面板提供面外刚度，提升结构的整体稳定性和屈曲能力。蜂窝结构不能直接与其他结构连接，而是通过斜削区，由蜂窝夹层结构过渡到层压板结构再与其他结构连接。而蜂窝夹层结构的斜削区，因为截面几何尺寸急剧变化，载荷出现偏心，引起较大面外载荷，斜削区可能发生面板整体失稳、面板格间屈曲、蜂窝格子屈曲、面板和蜂窝间脱胶等类型破坏。由于斜削区载荷分布较为复杂，一般工程分析偏差较大，同时无法考虑蜂窝格子屈曲、脱胶等失效模式，对于斜削区更多的采用试验验证的方法，设计成本较高，周期较长。常规的有限元分析简单应用实体单元来等效模拟蜂窝，无法真实反映蜂窝本身的应力状态。本专利技术提供了一套有效的蜂窝夹层斜削区模拟和分析方法，确定蜂窝斜削区的应力分布和失效模式，有助于提高设计效率，降低设计成本，缩短设计周期。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种基于细节有限元模拟的蜂窝夹层斜削区结构分析方法，以实现
技术介绍
中针对蜂窝斜削区的设计需求。
[0004]本专利技术采用如下技术方案：
[0005]基于蜂窝夹层结构实际构型，建立细节有限元模型，蜂窝夹层结构上下面板和蜂窝均采用2D单元模拟。对建立的细节有限元模型施加边界约束条件和载荷工况，进行屈曲和静力求解。根据求解器计算出的结构内载荷分布情况，确定结构应力最大位置和结构失效模式，对结构进行强度分析。根据分析结果，对结构进行优化设计。
[0006]本专利技术的有益效果：
[0007](1)能够实现对蜂窝夹层结构特别是蜂窝格子的真实模拟；
[0008](2)能够得到蜂窝夹层结构斜削区上下蜂窝面板的格间屈曲承载能力；
[0009](3)能够得到蜂窝夹层结构斜削区蜂窝格子的屈曲承载能力；
[0010](4)能够得到蜂窝格子与面板之间的界面载荷，以确定界面强度；
[0011](5)通用性强，可以广泛应用到各种构型的蜂窝夹层结构上，具有良好的实用性。
附图说明
[0012]图1为蜂窝夹层结构斜削区细节有限元模型示意图；
[0013]图2为面板格间屈曲云图；
[0014]图3为蜂窝格子屈曲云图；
[0015]图4为蜂窝格子应力云图；
[0016]图5为上下面板和层压板应变云图。
[0017]图中：1蜂窝格子单元；2上下面板单元；3层压板单元。
具体实施方式
[0018]下面结合附图对本专利技术方法进行详细地说明。
[0019]一种基于细节有限元模拟的蜂窝夹层斜削区结构分析方法，包括以下步骤：
[0020]步骤1：参见图1，基于蜂窝夹层结构实际构型划分网格单元，建立细节有限元模型。蜂窝格子几何中心面作为蜂窝格子单元基准面，上下面板的几何内表面作为上下面板单元基准面，蜂窝格子单元1、上下面板单元2、层压板单元3均为2D单元。上下面板单元2和蜂窝格子单元1之间共节点。
[0021]步骤2：依据公式(1)，计算出六边形蜂窝格子材料弹性模量；依据公式(2)，计算出六边形蜂窝格子材料剪切模量：
[0022][0023]式中：E
s
为蜂窝格子弹性模量；E为蜂窝压缩模量；t为蜂窝格壁厚度；h为蜂窝中胶结孔壁长度；l为蜂窝中单层孔壁长度；θ为蜂窝的拉伸角；
[0024][0025]式中：G
S
为蜂窝格子剪切模量；G
L
为蜂窝L向剪切模量；G
W
为蜂窝W向剪切模量。
[0026]步骤3：在步骤1建立的模型中设置材料性能和单元属性。基于结构铺层，设置有限元模型中的上下面板单元2和层压板单元3属性，按照实际位置设置偏移。根据步骤2计算出的蜂窝格子材料弹性模量和剪切模量，设置蜂窝格子单元1属性，不设置偏移。
[0027]步骤4：对步骤3处理后的有限元模型施加简支边界条件和面内轴向压缩载荷。根据实际情况，可以改为固支边界条件、面内剪切载荷或面外弯曲载荷等。
[0028]步骤5：对步骤4建立的有限元模型进行屈曲和静力求解。
[0029]步骤6：根据步骤5得到的模型屈曲求解结果，确定结构屈曲承载能力，面板格间屈曲云图参见图2，蜂窝格子屈曲云图参见图3。
[0030]步骤7：根据步骤5得到的模型静力求解结果，确定结构应力/应变极值，蜂窝格子应力云图参见图4，上下面板和层压板应变云图参见图5。根据材料许用值计算上下面板、层压板和蜂窝格子的安全裕度，按照公式(3)和公式(4)进行界面脱胶强度分析：
[0031][0032]式中：MS
shear
表示界面剪切安全裕度；σ
shear_allowable
为界面胶层的剪切许用值；σ
shear
为界面胶层的面内剪切应力。
[0033][0034]式中：MS
tension
表示界面拉伸安全裕度；σ
tension_allowable
为界面胶层的拉伸许用值；σ
tension
为界面胶层的面外拉伸应力。
[0035]步骤8：根据步骤6和步骤7得到的屈曲和静力分析结果，若结构最小安全裕度不在0～0.1之间，通过更改结构铺层、厚度等方式增加或减少相关位置刚度属性，对结构进行优化，通过迭代设计，将最小安全裕度控制在0～0.1之间，得到最优结构方案。
本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于细节有限元模拟的蜂窝夹层斜削区结构分析方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1：基于蜂窝夹层结构实际构型划分网格单元，建立细节有限元模型；蜂窝格子几何中心面作为蜂窝格子单元基准面，上下面板的几何内表面作为上下面板单元基准面，蜂窝格子单元、上下面板单元、层压板单元均为2D单元；上下面板单元和蜂窝格子单元之间共节点；步骤2：依据公式(1)，计算出六边形蜂窝格子材料弹性模量；依据公式(2)，计算出六边形蜂窝格子材料剪切模量：式中：E
s
为蜂窝格子弹性模量；E为蜂窝压缩模量；t为蜂窝格壁厚度；h为蜂窝中胶结孔壁长度；l为蜂窝中单层孔壁长度；θ为蜂窝的拉伸角；式中：G
S
为蜂窝格子剪切模量；G
L
为蜂窝L向剪切模量；G
W
为蜂窝W向剪切模量；步骤3：在步骤1建立的模型中设置材料性能和单元属性；步骤4：对步骤3处理后的有限元模型施加简支边界条件和面内轴向压缩载荷；步骤5：对步骤4建立的有限元模型进行屈曲和静力求解；步骤6：根据步骤5得到的模型屈曲求解结果，确定结构屈曲承载能力；步骤7：根据步骤5得到的模型静力求解结果，确定结构应力/应变极值；根据材料许用值计算上下面板、层压板和蜂窝格子的安全裕度，按照公式(3)和公式(4)进行界面脱胶强度分析：...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘旭，李忠霖，孙颖，赵永利，支晗，罗贵骞，
申请(专利权)人：中航沈飞民用飞机有限责任公司，
类型：发明
国别省市：