专利名称：由各向同性材料组成并用三角形格腔加强的面板的结构分析方法
由各向同性材料组成并用三角形格腔加强的面板的结构分析方法本发明涉及结构领域。本发明尤其涉及加强面板式结构，更具体地说，涉及用加强筋增强的这种面板。本发明涉及计算承受复合载荷的这种结构的抵抗力。现有技术和提出的问题薄的加强结构占商用飞机的主要结构中的很大部分。通常用加强筋增强面板，所述加强筋相互垂直，在面板的蒙皮上限定矩形区域，所述矩形区域受加强筋限制，并被称为格腔。飞机的结构因此由加强筋和蒙皮的构架构成-纵向加强筋(通常称为纵梁)它们沿着载荷的主方向，提供对结构的支持。-横向加强筋(通常称为“框架”或“肋条”)它们的主要功能是提供对纵梁的支持。-面板(通常称为蒙皮)通常，它通常承接平面(表层)中的加载。纵梁和桁条被设定成彼此成90°，在蒙皮上限定矩形格腔。然而，在二十世纪五十年代和六十年代，对于宇宙飞行器结构，NASA提出一种称为“等栅格(Isogrid) ”的加强结构的新原理(参见
图1)。因而这种加强结构由具有网状加强筋的增强蒙皮构成，加强筋之间被设定成0° (在NASA设想的结构中，O = 60° )。加强筋为刀片形状，并被嵌入面板中。由于其几何形状，这种结构具有正交各向异性的性质(当 =60°时，各向同性)，在蒙皮上形成的格腔为三角形。在下面的说明中，术语用三角形格腔加强的结构，或者用三角形格腔加强的面板用于定义由形成三角形格腔的交叉加强筋增强的结构或面板。文献中可获得的用于计算用三角形格腔加强的这种结构的抵抗力和稳定性的数据有限。用三角形格腔加强的面板的现有计算方法的状态在NASA 合同报告 “‘Isogrid，design handbook”(NASA-CR-124075，02/1973)中说明了用等边三角形格腔加强的面板的分析计算方法。该方法在文献中得到充分证明，但该方法存在一些严重的局限仅仅使用等边三角形角度=60°，计算施加的应力，但不计算应力容量，材料的泊松系数仅仅等于1/3。该现有方法存在许多局限，没有考虑在飞机结构上存在的所有问题，尤其是涉及边界条件和塑性的问题。因此，现有方法不能可靠地用于由三角形格腔加强的面板的结构的分析计算。本发明的目的为了进行由三角形格腔加强的面板的结构分析，根据复合板的理论，并且考虑到复合板的具体失效模式，提出一种结构分析方法。所述方法适用于由具有各向同性性质的材料制成的平直面板。这里说明的方法设想加强筋之间的底角(在“Isogrid”结构中，为60° )的改变。这意味不再保证面板的各向同性性质。发明的描述为此，本发明涉及一种利用分析方法，确定由同质并且各向同性的材料组成的基本平直的面板的尺寸的方法，所述面板由嵌入到面板中的三束平行加强筋组件(称为“网格”)增强的蒙皮构成，这组加强筋在蒙皮上确定的格腔为三角形，加强筋为刀片状，加强的面板必须符合对预定外部载荷的机械抗力的规范，各束加强筋之间的角度允许三角形格腔具有任意类型的等腰形状。按照一种有利的实现方式， 所述方法包括以下步骤步骤2-根据加强的面板的几何形状，和假定位于面板的平面中并施加在(面板的)截面的重心处的外部载荷，计算施加在蒙皮和加强筋中的应力，以及蒙皮中的流变和加强筋中的载荷，其中用两个正交各向异性板的组合件表示加强的面板，用等效面板表示加强筋的网格。步骤3-计算加强的面板的内部载荷，步骤4-抗力分析，包括在有限载荷和极限载荷下，计算材料的储备系数，步骤5-计算局部应力容量优选地，所述方法通过每种加强筋(0°，+ Θ或者-Θ )的有效直线段的定义，考虑由加强筋的后期屈服引起的施加应力在面板和加强筋的网格之间的重新分布，其中用Acr st，A+est和1^表示加强筋的后期屈服，通过计算面板的有效厚度ts rff，考虑由格腔的后期屈服引起的施加应力在面板和加强筋的网格之间的重新分布，通过利用兰贝格-奥斯古德(Ramberg-Osgood)定律,对材料的各种特性(尤其是杨氏模量和泊松系数)迭代处理，考虑由施加的外部载荷的塑性引起的施加应力在面板和加强筋的网格之间的重新分布，其中对加强筋的Ecr st，E+est，E_est和蒙皮的Exs，Eys和vepst进行迭代处理。根据按照本发明的方法的一种优选实现模式，所述方法包括利用塑性应力的迭代计算方法修正施加的载荷，从而考虑塑性的步骤，所述迭代方法一直执行到在处理开始时输入的材料的5个参数(Ecr st,E+est,E_est, Eskin, Vep)显然等于在塑性应力的计算之后获得的相同参数为止。按照一种有利的实现方式，所述方法包括分析抗力的步骤4，它包括比较加强的面板组件中的计算的施加载荷和材料的最大应力容量，来实现包含在有限荷载和极限载荷下对材料的储备系数进行计算的抗力分析，其中修正所施加的载荷以考虑加强的面板的塑性。按照一种有利的实现方式，所述方法包括计算局部应力容量的步骤5，它包括计算等腰三角形格腔的屈服流变容量和储备系数的子步骤5A，就储备系数的计算来说，要考虑的施加应力仅仅是影响蒙皮的应力，所使用的外部流变是不对应于加强面板被完全加载时的蒙皮流变。这种情况下，计算等腰三角形格腔的屈服流变容量和储备系数的子步骤5A最好包括两个子步骤首先，利用有限元方法，计算承受纯加载情况(与平面中的两个方向相应的压缩，剪切载荷)的平板的容量值，随后计算这些纯加载情况之间的互作用曲线。更准确地说，计算容量值包括以下子步骤·创建三角形板的FEM参数模型， 测试各种不同组合，以获得屈服结果， 获得与解析多项式相容的参数。在一种特殊的实现模式中，在纯加载的情况下，用以下子步骤定义互作用曲线-创建具有不同等腰角的多个三角形板的有限元模型，等腰角(Θ)被定义为等腰三角形的底角，-对于每个等腰角1/利用有限元模型进行计算，以确定各种板厚的褶皱的流变容量(无塑性修正)。2/按照#比(D是平板刚性，h是三角形的高度)，跟踪屈服容量的流变曲线，利用
按照该比例的二阶等式，对#的较小值确定所述曲线，所述二阶等式中的系数K1和K2取决
于角度和所考虑的载荷情况，3/按照等腰三角形的底角，跟踪多项式等式的系数K1和K2的演变，这些系数是按照所考虑的三角形板的角度跟踪的，并且进行插值，以确定无论什么等腰角，都使得能够计算这些常数的多项式等式。同样，在计算等腰三角形格腔的屈服流变容量和储备系数的情况下，按照一种有利的方式，在复合加载的情况下，使用以下假定如果复合载荷的某些分量为拉伸分量，则计算不考虑这些分量，互作用曲线由以下子步骤定义-创建具有不同等腰角的多个三角形板的有限元模型，等腰角(Θ)被定义为等腰三角形的底角，-对于每个等腰角1/利用有限元模型(FEM)进行计算，以确定与外部载荷的各种分布对应的流变的本征值。2/对于每个角度和载荷的每种组合，跟踪互作用曲线，随后用覆盖所有这些组合的如下的唯一等式近似这些曲线
RCXA+RCYB+Rsc = 1，其中A、B、C是经验系数
权利要求
1.一种利用分析方法，确定由同质并且各向同性的材料组成的基本平直的面板的尺寸的方法，所述面板由嵌入到所述面板中的三束平行加强筋组件(称为“网格”)增强的蒙皮构成，所述加强筋组在蒙皮上确定的格腔为三角形，加强筋为刀片状，加强的面板必须符合对预定外部载荷的机械抗力的规范， 其特征在于各束加强筋之间的角度允许三角形格腔具有任何等腰形状，所述方法 -在定义每种加强筋的有效直线部分的步骤期间，考虑加强筋的后期屈服引起的施加应力在所述面板和加强筋网格之间的重新分布，其中，对于角度0°，+0或-e，分别用A。。st，A+est和A_est表示加强筋的后期屈服有效直线部分， -在计算面板的有效厚度ts eff的步骤期间，考虑由格腔的后期屈服引起的施加应力在面板和加强筋的网格之间的重新分布， -在通过利用Ramberg-Osgood规律,对材料的各种特性尤其是杨氏模量和泊松系数，对加强筋来说是Ecr st,E+est,E_e st对蒙皮来说是Exs，Eys和V epst,进行迭代处理的步骤期间，考虑由施加的外部载荷的塑性引起的施加应力在面板和加强筋的网格之间的重新分布。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括利用计算塑性应力的迭代方法修正施加的载荷，从而考虑塑性的步骤，所述迭代方法一直执行到在处理开始时输入的材料的5个参数(E0. st，E+0st，E_0st，Eskin，vep)显然等于在塑性应力的计算之后获得的所述参数为止。
3.按照前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括计算等腰三角形格腔的屈服流变容量和储备系数的步骤5A，就储备系数的计算来说，要考虑的施加应力仅仅是影响蒙皮的应力，使用的外部流变是如下的蒙皮流变，该蒙皮流变不对应于加强面板的完全加载。
4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于它包括两个子步骤首先，利用有限元方法，计算承受纯加载情况(与平面中的两个方向相应的压缩，剪切载荷)的平板的容量值，随后计算这些纯加载情况之间的互作用曲线。
5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于容量值的计算包括以下子步骤 创建三角形板的有限元方法参数模型， 籲测试各种不同组合，以获得屈服结果， 获得与解析多项式相容的参数。
6.按照权利要求5所述的方法，其特征在于，在纯加载的情况下，用以下子步骤定义互作用曲线 -创建具有不同等腰角的多个三角形板的有限元模型，等腰角(9)被定义为等腰三角形的底角， -对于每个等腰角 I/利用有限元模型进行计算，以确定各种板厚的褶皱的流变容量(无塑性修正)， 2/按照比值# (D是平板刚性，h是三角形的高度)，跟踪屈服流变容量曲线，利用按照h该比例的二阶等式，对比值#的较小值确定所述曲线，所述二阶等式中的系数K1和K2取决h于角度和所考虑的载荷情况，3/按照等腰三角形的底角，跟踪多项式等式的系数K1和K2的演变，这些系数是按照所考虑的三角形板的角度跟踪的，并且进行插值，以确定无论什么等腰角，都使得能够计算这些常数的多项式等式。
7.按照权利要求5或6所述的方法，其特征在于，在复合加载的情况下，使用以下假定如果复合载荷的某些分量是拉伸分量，那么计算不考虑这些分量，互作用曲线由以下子步骤定义 -创建具有不同等腰角的多个三角形板的有限元模型，等腰角(9)被定义为等腰三角形的底角， -对于每个等腰角 I/利用有限元模型(FEM)进行计算，以确定与外部载荷的不同分布对应的屈服的本征值， 2/对于每个角度和载荷的每种组合，跟踪互作用曲线，随后用覆盖所有这些组合的如下的唯一等式近似这些曲线 RCXA+RCYB+Rsc = 1，其中A、B、C是经验系数，(这里
8.按照权利要求5-7中任意一项所述的方法，其特征在于，就简单支承或者被夹持的等腰三角形板来说，在复合加载的情况下，对于所有的加载情况，使用互作用曲线Kx + Kr + Rs1 = I。
9.按照前述权利要求中任意一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括步骤6，在步骤6中计算总体不稳定性，提供平直的加强面板在纯加载或复合加载条件下的屈服流变容量和储备系数的数据，对储备系数的计算来说，要考虑的施加的流变是加强面板的外部流变。
10.一种包括一系列指令的计算机程序产品，当在计算机上执行时所述一组指令时，所述指令适合于实现按照前述任一权利要求所述的方法。
全文摘要
本发明涉及一种利用分析方法，确定由同质并且各向同性的材料组成的基本平直的面板的尺寸的方法，所述面板由嵌入面板中的三束平行的加强筋组件(称为“网格”)增强的蒙皮构成。这组加强筋在蒙皮上确定的格腔为三角形，加强筋为刀片状，加强的面板必须符合对预定外部载荷的机械抗力的规范，各束加强筋之间的角度是允许三角形格腔具有任意类型的等腰形状。
文档编号G06F17/50GK103038770SQ201080047853
公开日2013年4月10日 申请日期2010年9月13日 优先权日2009年9月14日
发明者格拉尔德·库杜昂特, 保罗·梅西纳 申请人:空中客车运营简化股份公司