专利名称：一种复合材料结构强度分析方法
技术领域：
本发明属于材料分析技术，涉及一种提供复合材料结构强度分析精度的方法。
背景技术：
飞机复合材料结构静强度分析主要采用两种方式进行一种是粗网格有限元模型 分析与局部强度校核相结合方法，这种分析模式会造成细节强度分析不准确，依靠大量试 验验证，有时也进行局部结构细网格有限元分析，但局部模型的边界基本采用固支或简支， 不能反映真实结构的弹性支持状态。第二种是全部采用细网格进行总体应力有限元分析， 这种方法对于不复杂的小型结构还可以，但对于大型复杂的飞机结构，有限元模型单元、节 点数量庞大，计算机运行困难，非线性分析、优化分析根本无法运行，很难得到重点关注部 位应力分布。
发明内容
本发明的目的是提供一种分析精度高、成本低的复合材料结构强度分析方法。本发明的技术方案是一种复合材料结构强度分析方法，其包括如下步骤步骤1.总体有限元强度分析，对作为分析对象的复合材料结构进行几何描述，建立总体有限元模型，进行总体 有限元强度分析；步骤2.总体有限元强度分析结构以矢量形式保存，将总体应力分析得到的各个节点的位移及受力结果以矢量形式的位移场和力场 的形式保存显示出来；步骤3.建立局部有限元模型，对重点部位进行网格细化，取出重点关注的复合材料结构细节部位，细化网格，建 立局部有限元模型；步骤4.局部有限元强度分析，将步骤2获得的边界条件以位移场和力场的形式施加到局部有限元模型边界节 点上，再进行进一步局部有限元强度分析。局部模型中边界节点坐标若和总体模型中的节点一致，则其位移约束就等于对应 节点的位移值。当由于细分而产生的边界节点在总体模型中没有对应节点，其位移约束按照线性 插值给出。本发明的优点是本发明复杂复合材料结构强度高精度分析方法对重点部位进行 网格细化，取出重点关注的复合材料结构细节部位，细化网格，使得局部网格数成倍增加， 并将获得的边界条件以位移场和力场的形式施加到局部有限元模型边界节点上，再进行进 一步局部有限元强度分析，经与试验结果对比，表明分析结果与试验结果具有良好的一致 性，保证了分析精度。而且分析精度的提高，可以有效减少复合材料构件试验件数量，缩短研制时间，降低成本，能产生较大的经济效益。
具体实施例方式下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明。本发明复合材料结构强度分析方法在总体有限元模型分析的基础上，以总体有限 元模型节点位移和力结果产生局部细节有限元模型的边界约束条件，保证局部细节有限元 的边界条件与总体有限元模型分析结果相符。在此基础上，针对细节部位，建立精细的局部 有限元模型，模拟结构细节特征，施加上由总体分析上获得的局部边界条件，进行更为精确 的细节分析，确定结构的局部强度，为结构细节设计提供依据，从而有效提高了结构分析精 度。本发明复合材料结构强度分析方法的步骤可以如下表示步骤1.总体有限元强度分析，对作为分析对象的复合材料结构进行几何描述，根据变分原理和分割近似原理， 建立总体有限元模型，进行总体有限元强度分析；步骤2.总体有限元强度分析结构以矢量形式保存，将总体应力分析得到的各个节点的位移及受力结果以矢量形式的位移场和力场 的形式保存显示出来，数据采用线性插值形式，便于局部强度分析时应用；步骤3.建立局部有限元模型，对重点部位进行网格细化，取出重点关注的复合材料结构细节部位，细化网格，使 得局部网格数成倍增加，并在局部模型中考虑胶接、厚度变化、分层缺陷等细节，建立局部 有限元模型；步骤4.局部有限元强度分析，将步骤2获得的边界条件以位移场和力场的形式施加到局部有限元模型边界节 点上，再根据变分原理和分割近似原理进行进一步局部有限元强度分析。因此可以精确地模拟局部模型边界的弹性支持，而不是简单地对局部模型边界施 加简支或固支条件，使得局部分析结果更加精确可靠。本发明复合材料结构强度分析方法由于模拟了复合材料结构件细节的边界条件， 在局部有限元模型中考虑了连接、分层等因素，提高了复合材料结构分析精度，分析结果与 试验结果相符。通过高精度分析，指导了复合材料构件的设计，减少了试验件数量，缩短了 研制周期，降低了成本。实施例1 直升机复合材料机身框腹板屈曲分析1.几何描述某直升机复合材料机身框腹板长1000mm，高800mm，四边与框缘条连 接，在实际受力时受到均布单向轴压作用，见
图1。框腹板的材料为3234/G803，为了减轻重量，框腹板铺层分为两个部分1)框腹板中间部分AB⑶的铺层[45/02/45)]，厚度为 1. 14mm ；2)其余部分的铺层[45/02/452/02/452/02/45] s,厚度为 6. 84mm,很明显，当整个结构受力时，四边形AB⑶部分将首先发生屈曲破坏。
2.总体有限元模型建立及分析根据复合材料框腹板的受力和支持情况，建立了总体有限元模型，有限元模型见 图2，框腹板的一边节点约束了 XYZ三个方向的平动自由度，其它边约束了 Z方向平动自由 度，在受力的单元边上施加均布单向侧压载荷，根据变分原理和分割近似原理进行总体有 限元分析，其中，利用所述变分原理和分割近似原理为有限元分析的常用方法。3.总体有限元强度分析结构以矢量形式保存根据复合材料框腹板总体分析结果，将总体模型的所有节点位移以矢量形式显示 出来，然后保存为矢量场，见图3。4.局部分析有限元模型建立及分析将重点关注部位AB⑶进行网格细化，重点关注部位单元个数由4个细化为64个， 节点个数由9个增加为81个，边界节点个数由36个增加到72个。同时将由总体分析获得 的节点位移结果，以矢量场的形式施加到局部模型的边界节点上，数据采用线性插值形式。 再根据势能极值原理进行局部有限元屈曲分析。局部屈曲分析有限元模型见图4。5、局部屈曲分析结果由于对网格进行了细化，获得了计算精度更高、模态更光顺的复合材料框腹板屈 曲分析结果，见图5。分析结果与试验结果具有很好的符合性。实施例2 复合材料方向舵屈曲分析1.几何描述某飞机复合材料方向舵长3000mm，由前梁、后梁、6个加强肋及左侧蒙皮、右侧蒙 皮组成请参阅图6，其是复合材料方向舵结构形式的示意图，姊肋和3#肋之间的右侧蒙 皮EFGH所受气动载荷最大，所以是结构分析重点关注部位。2.总体有限元模型建立及分析根据复合材料方向舵的受力和支持情况，建立了总体有限元模型，将方向舵受到 的气动载荷施加在有限元模型左侧蒙皮节点上，在方向舵与机身、垂直安定面、操纵钢索连 接处施加了约束。请参阅图7，其是施加了载荷和约束的整体有限元模型示意图，其中，E，F，G，H为 重点关注细节部位，在总体模型中只划分为一个单元，根据变分原理和分割近似原理进行 总体有限元分析。3.分析结果的矢量保存根据复合材料方向舵总体分析结果，将总体模型的节点位移以矢量形式显示出 来，利用有限元程序的Fidles功能，将显示的结果保存为连续的矢量场，请参阅图8，其是 以矢量显示的总体有限元模型各个节点的位移示意图。4、建立局部有限元模型将重点关注部位进行网格细化，重点关注部位单元个数由1个细化为1 个，节点 个数由4个增加为153个，边界节点个数由4个增加到48个。然后给局部模型施加位移边 界条件，即产生位移约束，施加时不是简单地在边界上简支(只约束边界各个节点的三个 平动自由度)或是固支(约束边界各个节点的三个平动自由度和三个转动自由度)，而是在 产生边界节点位移约束时，调用总体分析获得的节点位移结果，也就是由第3步中获得的连续位移矢量场，以连续位移矢量场的形式给局部模型的边界节点施加相应位移。施加时 采用线性插值法，局部模型中边界节点坐标若和总体模型中的节点一致，则其位移约束就 等于对应节点的位移值，而由于细分而产生的边界节点在总体模型中没有对应节点，其位 移约束按照线性插值给出。请参阅图9，其给出了施加位移边界条件的局部分析模型示意 图。5、局部有限元分析根据变分原理和分割近似原理进行局部有限元分析，由于对网格进行了细化，获 得了计算精度更高的方向舵局部屈曲分析结果，请参阅图10，其为方向舵局部屈曲分析结 果示意图，经与试验结果对比，表明分析结果与试验结果具有良好的一致性。本发明复杂复合材料结构强度高精度分析方法，通过辅助复合材料构件的设计， 对重点部位进行网格细化，取出重点关注的复合材料结构细节部位，细化网格，使得局部网 格数成倍增加，并将获得的边界条件以位移场和力场的形式施加到局部有限元模型边界节 点上，再根据变分原理和分割近似原理进行进一步局部有限元强度分析，从而可以有效提 高分析精度，减少复合材料构件试验件数量，缩短研制时间，降低成本，能产生较大的经济 效益。
权利要求
1.一种复合材料结构强度分析方法，其特征在于，包括如下步骤步骤1.总体有限元强度分析，对作为分析对象的复合材料结构进行几何描述，建立总体有限元模型，进行总体有限 元强度分析；步骤2.总体有限元强度分析结构以矢量形式保存，将总体应力分析得到的各个节点的位移及受力结果以矢量形式的位移场和力场的形 式保存显示出来；步骤3.建立局部有限元模型，对重点部位进行网格细化，取出重点关注的复合材料结构细节部位，细化网格，建立局 部有限元模型；步骤4.局部有限元强度分析，将步骤2获得的边界条件以位移场和力场的形式施加到局部有限元模型边界节点上， 再进行进一步局部有限元强度分析。
2.根据权利要求1所述的复合材料结构强度分析方法，其特征在于局部模型中边界 节点坐标若和总体模型中的节点一致，则其位移约束就等于对应节点的位移值。
3.根据权利要求1所述的复合材料结构强度分析方法，其特征在于当由于细分而产 生的边界节点在总体模型中没有对应节点，其位移约束按照线性插值给出。
全文摘要
本发明属于材料分析技术，涉及一种提高复合材料结构强度分析精度的方法。本发明复合材料结构强度分析方法对作为分析对象的复合材料结构进行几何描述，根据变分原理和分割近似原理，建立总体有限元模型，进行总体有限元强度分析；将总体应力分析得到的各个节点的位移及受力结果以矢量形式的位移场和力场的形式保存显示出来；然后，对重点部位进行网格细化，建立局部有限元模型；再将总体应力分析所得的边界条件以位移场和力场的形式施加到局部有限元模型边界节点上，进行进一步局部有限元强度分析。从而具有较高的分析精度，并能有效减少复合材料构件试验件数量，缩短研制时间，降低成本，能产生较大的经济效益。
文档编号G06F17/50GK102136019SQ20111006646
公开日2011年7月27日 申请日期2011年3月21日 优先权日2011年3月21日
发明者云庆文, 任静, 刘秀芝, 周国臣, 宫少波, 张震, 徐忠岩, 温永海, 韩刘, 齐德胜 申请人:哈尔滨飞机工业集团有限责任公司