飞行器典型复合材料格栅结构力学性能仿真分析
时间：2023-06-08 14:35:17 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
王赞凯，杨 森，徐浩然，贾泽晖，李政翰
（沈阳航空航天大学 辽宁 沈阳 110136）
复合材料格栅结构现已成功应用在整流罩、箱间段、级间段、尾翼等航天器结构和机身、舱体、机翼、尾翼等航空器结构中，当前也有较多研究成果：周洲等[1]分析格栅结构U 型槽关键参数和等效应力关系后解得了格栅板角度和厚度的理论最优值；
王亚楠等[2]经仿真分析与实验验证得出：在体积一定时，适度降低单层格栅厚度以增加格栅密度可明显提高夹芯板抗弯刚度；
蒋诗才等[3]基于Shell 单元预测了格栅结构的机械性能，计算结果表明：随格栅肋板高度增加，蒙皮对结构性能贡献减少，结构的拉伸和弯曲性能均呈下降趋势；
KERMANI 等[4]以芯部几何尺寸与加强肋材料类型为变量，基于遗传算法优化了复合材料夹层结构的振动频率；
GAO 等[5]对玻璃纤维复合材格栅进行了三点和四点弯曲实验，经建立并分析失效机理模型，提出了增强弯曲刚度的方法；
VASILIEV[6]以质量最小准则为考量，确定了某种复合材料圆柱网格壳的优化设计参数解析解。本文将建立三种典型飞行器复材格栅结构简化模型，运用数值模拟法对其施载后分析与比较三者的力学性能。
1.1 几何参数设定与三维模型绘制
飞行器复合材料格栅结构模型由格栅肋板和表面蒙皮构成，鉴于结构实际尺寸较大且形状复杂，本文只分析较小尺寸的简化模型。格栅结构按胞元构型划分可主要分为以下六种：蜂窝形、矩形、米字形、Kagome、三角形和金刚石形，如图1所示。本文选取最典型的三种格栅结构，即蜂窝形、三角形和矩形格栅结构并分析其力学性能。结构模型长为100 mm，宽为60 mm，高为24 mm。其中夹层高度为20 mm，蒙皮高度为2 mm，肋板厚度约为1 mm。
图1 六种格栅结构平面图
1.2 材料属性设定、载荷施加与边界设定
格栅结构材料选用热压成型的连续增强聚丙烯材料，为简化仿真计算，现作以下假设：蒙皮与格栅夹层接触面黏结牢固，在对格栅板施加载荷时不会产生相对滑动；
为便于划分网格，格栅板结构中所有倒角简化为直角；
为不影响实验结果，忽略重力对格栅板力学性能的影响；
同时对材料用弹性、各向同性处理。该材料杨氏模量为17.7 Gpa；
泊松比为0.14；
密度为1.8 g/cm3。为更好模拟格栅结构实际服役受力情况，现对三种复合材料格栅结构模型表面分别施加均布载荷和集中载荷。模拟加压条件为直接对格栅夹层结构施加均布载荷与通过刚性板间接加压方式。施加均布载荷情况：选定格栅上蒙皮为施压平面，加载大小为5 Pa。之后在下蒙皮创建约束，防止其加载过程中产生位移导致实验失败，创建边界条件，类型为力学、位移转角，并选择下蒙皮为边界条件集合；
施加集中载荷情况：选定蒙皮中心为载荷参考点，上下蒙皮加载大小均为5 Pa，因在该种情况下格栅结构不涉及位置约束，故无须设置边界条件。
1.3 格栅结构网格划分
为得到更好的网格划分效果，首先将肋板交接处单独划分为六面体，并将格栅晶胞间相连处划分为三角形。创建截面完成后编辑拉伸，深度为20 mm。保留内部边界，拉伸后为部件布种，设置三种格栅的结构近似全局尺寸均为1.5，最大偏离因子为0.1。之后指派网格控制属性，选择六面体结构对格栅结构划分网格。
本部分将把三维模型导入ABAQUS 仿真软件中进行数值模拟，并多角度观察、分析与比较三种飞行器复材格栅结构的Mises 应力云图，通过分析局部表现了解结构整体力学性能，以蒙皮中心为载荷参考点，模拟蜂窝形格栅、三角形格栅与矩形格栅结构分别受两种载荷时的应力见图2与图3。观察得到三种结构受均布载荷以及受集中载荷时的应力均增大且呈现结构对称性，同时节点附近应力变化明显。本研究中建立的复合材料格栅结构只是一种简化模型，并不能完全模拟其在实际服役过程中受多重载荷时的表现，但是这种结构优化设计理论可为航空航天器结构设计的轻量化与安全性能等提供一定的参考。
2.1 结构受均布载荷分析与比较
当三种典型格栅结构表面受大小为5 Pa 的均布载荷时，各结构应力状态如图2所示。因格栅夹层起主要的承力作用，所以观察重点是格栅夹层和切面。由于未对三类结构做封边处理，同时施加铰支约束处受载时会被限制变形，结构内部不能通过变形消耗能量，因此上蒙皮应力不均，边缘出现应力集中现象，其中矩形格栅蒙皮应力集中现象最为明显。格栅上蒙皮在均布载荷的作用下会有轻微的变形，而下蒙皮因有位置约束所以应力较均匀。同时，对于蒙皮与格栅夹层连接处，蒙皮上的节点应力较大，夹层对应位置因能量向中间传递而应力较小。
图2 三种格栅结构受均布载荷时蒙皮、夹层与切面应力图
分析与比较三种结构应力数值可以发现：三角形格栅结构各处应力大概为其余两种的一半，其最大应力值比蜂窝形结构小50.2%，并仅是矩形格栅结构的50.7%。对格栅上表面施载时，三角形格栅夹层的应力变化与其他两种格栅板相比最为明显，且当压力从上蒙皮传递到格栅部分时，接触相邻部分出现了应力集中现象。六边形格栅夹层中的力从上向下传递较均匀且应力值较小，而矩形格栅板的整体应力数值为三者中最小，但传力并不均匀，这可能会导致其受到较大载荷作用时发生局部损伤情况。
2.2 结构受集中载荷分析与比较
当三种典型格栅结构上下蒙皮受大小为5 Pa 的集中载荷时，各结构应力状态如图3所示。应力会从载荷中心向结构四周扩散，中间胞元横、纵、斜向格栅板承力最大。对于蒙皮与格栅夹层连接处：蜂窝形格栅横向肋板、三角形和矩形格栅节点附近均会出现应力集中现象。同时每小段格栅板四周的能量均会向中央部位传递，其中三角形胞元最为明显。分析与比较三种结构应力数值可以发现，矩形格栅结构最大应力值较蜂窝形结构小18.9%，同时比三角形结构蒙皮最大应力值小10.2%。
图3 三种格栅结构受集中载荷时蒙皮、夹层与切面应力图
六边形格栅和矩形格栅中部应力分布较均匀，有较好的抗压性能；
三角形格栅结构内部应力分布很不均匀，中间部位整体应力与上下蒙皮相差很大，出现了较大范围的应力集中现象；
矩形格栅结构整体应力较其余两者偏小，呈现中部大、上下小的特点，同时格栅肋板与上下蒙皮接触点处应力值较大，这可能会导致其受到较大载荷作用时出现应力集中。上述分析基于该矩形格栅结构模型为侧面封边情况，若去掉封边，结构部分区域或出现应力集中现象。上述分析与比较说明在该工况下矩形格栅结构抵御变形的能力最强。
复合材料凭借重量轻、强度高、耐腐蚀、抗疲劳等优点已被广泛应用。格栅结构有较高的结构承载力、优良的稳定性、较强的抗屈曲能力以及较高的比强、比刚度；
空间开放，便于检修和多功能设计。在飞行器上应用复合材料格栅结构可集中新材料和新构形的优点，大幅提升整体飞行性能。本文围绕三种典型飞行器复合材料格栅结构，模拟实际服役加载情况，对三种结构模型进行了仿真实验，经分析与比较后得到以下结论：
（1）蜂窝形、三角形和矩形格栅结构不论是受均布载荷还是受集中载荷，其整体应力均会增大且呈现结构对称分布；
由于夹层肋板与蒙皮连接的节点会将所受应力传递给相连的多个格栅胞元，且在传递过程中有能量消耗，所以格栅结构节点处应力变化较明显。
（2）对复材格栅结构表面施加大小为5 Pa 的均布载荷时，三角形格栅结构各处应力大致为其余二者的一半；
对格栅结构上下蒙皮施加大小为5 Pa 的集中载荷时，矩形格栅结构最大应力比其余二者小10%～19%左右。
（3）基于拓扑性质对典型格栅结构建模时以三种夹层胞元大小近似、数目尽量多为原则。上述分析与比较说明：在同体积但不同质量和胞元厚度的条件下，相较于三角形和矩形格栅结构，蜂窝形格栅夹层胞元密度最小，抵抗变形能力最弱。
猜你喜欢 肋板蒙皮格栅 导流格栅对发射箱内流场环境影响研究舰船科学技术(2022年20期)2022-11-28一种海洋工程中格栅的现场修改方法现代制造技术与装备(2022年3期)2022-04-21基于经济性和热平衡的主动进气格栅策略开发(续2)汽车工程师(2021年12期)2022-01-17基于经济性和热平衡的主动进气格栅策略开发(续1)汽车工程师(2021年11期)2021-12-21运载火箭框桁蒙皮结构铆接壳段多余物分析与控制军民两用技术与产品(2021年5期)2021-07-28金属加筋壁板蒙皮有效宽度分析方法民用飞机设计与研究(2021年4期)2021-07-08肋板形状对肋板式挡墙稳定性影响试验分析铁道科学与工程学报(2020年1期)2020-02-13肋板结构参数对结构刚度的影响研究*中国海洋大学学报（自然科学版）(2019年11期)2019-10-12飞机蒙皮上的幽默航空世界(2018年12期)2018-07-16基于模线样板飞机蒙皮类零件的逆向建模山东工业技术(2016年15期)2016-12-01
