基于MSC.Nastran的复合材料格栅壁板屈曲数值仿真

2010年03月01日14:26:46 e-works 我要评论(2)字号：T | T | T

1 概述

复合材料格栅结构作为一种新型的结构形式，不仅继承了复合材料结构比强度和比刚度高、隔热防震以及结构可设计性好等特点, 还具有其自身所固有的环境鲁棒性、自动化的低成本制造过程以及结构有效性和可靠性高等诸多优点, 在汽车、航空航天等领域中有着广泛的应用前景，因而逐渐得到工程界的重视。

研究表明，复合材料格栅结构失效主要表现为结构的失稳，包括三种基本模式：蒙皮失稳，筋条失稳和整体失稳。从材料和结构的利用效率而言：若在工程应用中出现前两种模式，则不能充分发挥结构和材料的承载能力，在一定程度上造成材料的浪费，结构的经济性差；若在设计工作状态下出现整体失稳，即蒙皮与筋条同时失稳，则结构和材料得到充分利用，经济性好。结构工程师关心的问题就是，如何通过优化复合材料格栅结构的蒙皮与筋条的材料和结构，避免在实际应用中出现只出现蒙皮失稳或筋条失稳，从而实现整体失稳。

    目前研究复合材料格栅结构变形和失效机理的研究手段，主要是试验测试法。但是，由于现阶段复合材料格栅结构的制造技术和生产工艺尚不成熟，研制试验样品的成本相对较高，通过大量的试验来分析其失效机理的成本相对较高。因此，本文试图在试验标定的基础上，利用大型有限元软件MSC.Nastran进行了仿真试验，通过这种方式探索复合材料格栅结构的失效机理，从而缩短研制周期，降低研制成本，提高经济性。

    本文分析蒙皮参数和筋条方向一定时，筋条几何参数变化对复合材料格栅结构失稳类型的影响。

2 数值仿真模型

    本文建立的数值仿真分析模型与试验试件的形状和尺寸一致，如图1所示。蒙皮为复合材料层合板，共24层，铺层顺序是（60/0/-60/0/60/0/- 60/0/60 /0/-60/0）s，筋条为0度单向带。蒙皮的基本几何参数如下：长21.5in，宽18.5in，厚度为0.07in。材料特性见表1。蒙皮和筋条均采用平面四边形单元模拟。采用简支边界条件，均匀压力沿板的长边施加。采用MSC.Patran做模型的前后处理工具，MSC.Nastran为分析模块。

图1 复合材料格栅壁板模型图

表1 材料特性

3 计算及结果分析

为了了解复合材料格栅结构的结构参数对屈曲载荷的影响，把握格栅结构的失效规律，在蒙皮厚度和加筋肋的截面积不变的情况下，通过改变筋条的高度研究结构的屈曲载荷和屈曲形式的规律。部分工况的计算结果见表2。

表2 筋条几何参数变化对结构失稳形式的影响

（说明：表中A、和h分别表示筋条横截面积、厚度和高度；Frtcr为失稳临界载荷。）

表2给出了三种不同横截面面积筋条几何参数变化时，临界失稳载荷及失稳模式的数值仿真实验结果。图2给出了临界失稳载荷随筋条高度的变化趋势。

图2 临界失稳载荷随筋条高度的变化趋势

图3整体失稳模式

从表2中的失稳类型可以看出：筋条横截面积相同的情况下，随着高度的变化，整体失稳、蒙皮失稳和筋条失稳这三种模式将依次出现。在给定的这种蒙皮条件下，当筋高在0.1in至0.2in之间时，结构将呈现整体失稳（如图3所示），随筋条高度的增加屈曲载荷变大。随着筋条高度的继续增加，结构的失稳类型转变为局部蒙皮失稳（如图4所示），从图2可以看出随着筋高的增加屈曲载荷变小。当筋条高度增加到某临界值时，结构的失稳类型转变为筋条局部屈曲（如图5所示）。从参数分析也可看出，随着筋条面积的增大，处于中间部分蒙皮失稳的数值也增大。

图4 蒙皮局部失稳模式

图5 筋条局部失稳

4 结论

本文通过对简支复合材料格栅结构的数值仿真实验，得到以下几个基本结论：

在筋条横截面积相同的情况下，随着筋条高度的增加，依次出现：整体失稳、蒙皮失稳和筋条失稳这三种模式；
在筋条横截面积相同且均发生整体失稳的情况下，随着筋条高度的增加，临界失稳载荷将随之增加；
筋条高度相等时，横截面积越大（即筋条越厚），临界失稳载荷越大；
MSC.Patran和Nastran为实现大规模的数值仿真试验提供了强有力的工具，能够有效地提高工作效率，降低研究成本。

基于MSC.Nastran的复合材料格栅壁板屈曲数值仿真

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