民機(jī)典型金屬結(jié)構(gòu)材料非線性強(qiáng)度分析方法研究

1、民機(jī)典型金屬結(jié)構(gòu)材料非線性強(qiáng)度分析方法研究王法穆湯家力【摘要】本文提出了一種考慮材料非線性的金屬結(jié)構(gòu)平安裕度確定方法，并基于該方法通過有限元軟件對民用飛機(jī)典型金屬加強(qiáng)肋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜強(qiáng)度分析?！娟P(guān)鍵詞】有限元；非線性；金屬結(jié)構(gòu)；平安裕度NonlinearAnalysisofTheTypicalCivilAircraftmetalStructureWANGFa-muTANGJia-liShanghaiAircraftDesignandResearchInstituteofCOMAC，Shanghai202110，China【Abstract】Amethodtodeterminethemargino

2、fsafetyinnonlinearanalysisisproposedinthispaper.basedonthismethod，thestrengthanalysisofthemetalstiffeningribiscarriedoutbyusingFEMsoftware.【Keywords】FEM；Nonlinear；metalStructure；Marginofsafety0引言有限元法最初是用來處理固體力學(xué)問題，直到1956年，波音飛機(jī)工程師Turner，Clough等人首次將有限元法用于飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)分析，吹響了有限元應(yīng)用的號角。到了20世紀(jì)80年代，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的提升，有限元結(jié)

3、構(gòu)分析方法及軟件呈現(xiàn)出井噴式的開展。目前為止，有限元法被廣泛的應(yīng)用于工程實(shí)際中，比方航空航天、船舶、土木工程等。飛機(jī)在飛行過程中受到外力作用，某些構(gòu)件有可能會處于高應(yīng)力狀態(tài)，工程上對于這種情況的分析，一般基于材料線彈性假設(shè)，而真實(shí)的材料應(yīng)力應(yīng)變曲線【1】如圖1所示。當(dāng)材料應(yīng)力高于比例極限時(shí)，隨著應(yīng)變的增加，材料進(jìn)入屈服狀態(tài)，應(yīng)力增加變緩。所以傳統(tǒng)工程計(jì)算方法在處理結(jié)構(gòu)高應(yīng)力問題時(shí)具有一定的保守量。為了提高材料利用率，減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量，更加準(zhǔn)確地模擬出結(jié)構(gòu)真實(shí)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，需要考慮材料非線性對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。圖1材料應(yīng)力應(yīng)變曲線圖1材料非線性數(shù)值模擬時(shí)的結(jié)構(gòu)平安裕度確定方法結(jié)構(gòu)的平安是指在預(yù)計(jì)的

4、壽命內(nèi)，結(jié)構(gòu)具有承受設(shè)計(jì)載荷的能力。經(jīng)典的飛機(jī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法均采用這樣的準(zhǔn)那么【2】：使設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的最小計(jì)算承載能力大于估算的最大設(shè)計(jì)載荷，并且常引入大于1的平安系數(shù)。在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，根據(jù)第四強(qiáng)度理論【3】，金屬結(jié)構(gòu)的平安裕度計(jì)算方法如下：其中，b為材料的極限拉伸強(qiáng)度，為VonMises應(yīng)力，由三個(gè)方向的主應(yīng)力按照一定形式組合而成。當(dāng)材料應(yīng)力大于比例極限時(shí)候，有限元計(jì)算所得到的應(yīng)力會大于實(shí)際的應(yīng)力值，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)平安裕度偏保守。此時(shí)，如果出現(xiàn)平安裕度小于零的情況，就簡單地對結(jié)構(gòu)進(jìn)行加強(qiáng)，將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不必要的增重。因此，在工程中遇到這種情況，需要在模型中引入材料非線性，進(jìn)行進(jìn)一步的計(jì)算，得到屈服極限

5、y下的應(yīng)變值'。只要'小于材料拉伸率，那么結(jié)構(gòu)依然是滿足強(qiáng)度要求的。但上述方法的缺陷在于無法給出結(jié)構(gòu)的真實(shí)平安裕度，因?yàn)榇藭r(shí)材料已進(jìn)入非線性，簡單的許用應(yīng)力應(yīng)變/應(yīng)力應(yīng)變不能真實(shí)地反映出結(jié)構(gòu)繼續(xù)承載的能力。為了得到非線性情況下結(jié)構(gòu)繼續(xù)承載的能力，可以按照以下步驟來計(jì)算結(jié)構(gòu)的平安裕度：1當(dāng)外載荷為F時(shí)，通過非線性分析得到的最大應(yīng)變?yōu)椋?通過調(diào)整外載荷，假設(shè)其值為n·F時(shí)，非線性分析得到的最大應(yīng)變max到達(dá)了材料的拉伸破壞應(yīng)變，那么可得該結(jié)構(gòu)平安裕度如下：其中，n為外載荷調(diào)整系數(shù)，其值大于1并以0.01的步長向上增長。具體流程如圖2所示。2算例2.1典型金屬加強(qiáng)肋結(jié)構(gòu)民用

6、飛機(jī)典型金屬加強(qiáng)肋結(jié)構(gòu)主要用于結(jié)構(gòu)維形、傳遞局部氣動載荷和集中載荷，增加蒙皮弦向剛度，提高蒙皮及長桁臨界失穩(wěn)應(yīng)力，為蒙皮及長桁提供邊界支持。本文金屬加強(qiáng)肋采用7050-T7451厚板機(jī)加成型，緣條及腹板厚3mm，與蒙皮采用螺栓連接，同時(shí)在耳孔處承受較大的集中載荷，結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。根據(jù)?MMPDS-05?【1】可知材料性能如表1所示。2.2有限元模型采用二階四面體單元對典型金屬加強(qiáng)肋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，所建立的有限元模型約260000個(gè)節(jié)點(diǎn)，160000個(gè)單元。在加強(qiáng)肋外表與蒙皮連接處施加面內(nèi)約束，即U1=U2=0，耳孔點(diǎn)施加集中載荷，如圖4所示，材料曲線如圖5所示。2.3數(shù)值模擬結(jié)果線彈性

7、分析，得到的結(jié)果如圖6所示，肋腹板孔邊最大VonMises應(yīng)力為955MPa，遠(yuǎn)高于材料的拉伸極限強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)平安裕度為由于高應(yīng)力區(qū)域集中在肋腹板孔邊局部，根據(jù)工程判斷，結(jié)構(gòu)仍然擁有繼續(xù)承載的能力，因此可以利用材料非線性分析來計(jì)算結(jié)構(gòu)真實(shí)的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。通過計(jì)算，得到了如圖7所示的應(yīng)力和應(yīng)變云圖。由圖7可知，孔邊最大應(yīng)變25240，小于材料的延伸率30000，滿足強(qiáng)度要求。2.4結(jié)構(gòu)平安裕度計(jì)算根據(jù)圖2所示的方法，對典型金屬加強(qiáng)肋結(jié)構(gòu)進(jìn)行平安裕度計(jì)算。令n從1開始，以0.01的步長進(jìn)行計(jì)算，可以得到如表2的結(jié)果。由表2可得當(dāng)n=1.05時(shí)，最大應(yīng)變?yōu)?9270；當(dāng)n=1.06時(shí)，最大應(yīng)變?yōu)?0200，大于材料的延伸率30000。因此，結(jié)構(gòu)的平安裕度為M.S.=n-1=1.05-1=0.053結(jié)論本文在參考一般工程計(jì)算方法的根底上，提出了一種材料非線性數(shù)值模擬時(shí)的結(jié)構(gòu)平安裕度確定方法，并通過有限元軟件對民用飛機(jī)典型金屬加強(qiáng)肋結(jié)構(gòu)進(jìn)行的強(qiáng)度分析，從而驗(yàn)證了該方法的有效性，為飛機(jī)結(jié)構(gòu)處理高應(yīng)力問題時(shí)提供了一種可行的方法?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】【1】FAA，metallicMaterialsPropertiesDe