專利名稱：由各向同性材料組成并用三角形格腔加強(qiáng)的面板的結(jié)構(gòu)分析方法
由各向同性材料組成并用三角形格腔加強(qiáng)的面板的結(jié)構(gòu)分析方法本發(fā)明涉及結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。本發(fā)明尤其涉及加強(qiáng)面板式結(jié)構(gòu)，更具體地說，涉及用加強(qiáng)筋增強(qiáng)的這種面板。本發(fā)明涉及計(jì)算承受復(fù)合載荷的這種結(jié)構(gòu)的抵抗力?，F(xiàn)有技術(shù)和提出的問題薄的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)占商用飛機(jī)的主要結(jié)構(gòu)中的很大部分。通常用加強(qiáng)筋增強(qiáng)面板，所述加強(qiáng)筋相互垂直，在面板的蒙皮上限定矩形區(qū)域，所述矩形區(qū)域受加強(qiáng)筋限制，并被稱為格腔。飛機(jī)的結(jié)構(gòu)因此由加強(qiáng)筋和蒙皮的構(gòu)架構(gòu)成-縱向加強(qiáng)筋(通常稱為縱梁)它們沿著載荷的主方向，提供對結(jié)構(gòu)的支持。-橫向加強(qiáng)筋(通常稱為“框架”或“肋條”)它們的主要功能是提供對縱梁的支持。-面板(通常稱為蒙皮)通常，它通常承接平面(表層)中的加載?？v梁和桁條被設(shè)定成彼此成90°，在蒙皮上限定矩形格腔。然而，在二十世紀(jì)五十年代和六十年代，對于宇宙飛行器結(jié)構(gòu)，NASA提出一種稱為“等柵格(Isogrid) ”的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的新原理(參見

圖1)。因而這種加強(qiáng)結(jié)構(gòu)由具有網(wǎng)狀加強(qiáng)筋的增強(qiáng)蒙皮構(gòu)成，加強(qiáng)筋之間被設(shè)定成0° (在NASA設(shè)想的結(jié)構(gòu)中，O = 60° )。加強(qiáng)筋為刀片形狀，并被嵌入面板中。由于其幾何形狀，這種結(jié)構(gòu)具有正交各向異性的性質(zhì)(當(dāng) =60°時(shí)，各向同性)，在蒙皮上形成的格腔為三角形。在下面的說明中，術(shù)語用三角形格腔加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)，或者用三角形格腔加強(qiáng)的面板用于定義由形成三角形格腔的交叉加強(qiáng)筋增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)或面板。文獻(xiàn)中可獲得的用于計(jì)算用三角形格腔加強(qiáng)的這種結(jié)構(gòu)的抵抗力和穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)有限。用三角形格腔加強(qiáng)的面板的現(xiàn)有計(jì)算方法的狀態(tài)在NASA 合同報(bào)告 “‘Isogrid，design handbook”(NASA-CR-124075，02/1973)中說明了用等邊三角形格腔加強(qiáng)的面板的分析計(jì)算方法。該方法在文獻(xiàn)中得到充分證明，但該方法存在一些嚴(yán)重的局限僅僅使用等邊三角形角度=60°，計(jì)算施加的應(yīng)力，但不計(jì)算應(yīng)力容量，材料的泊松系數(shù)僅僅等于1/3。該現(xiàn)有方法存在許多局限，沒有考慮在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上存在的所有問題，尤其是涉及邊界條件和塑性的問題。因此，現(xiàn)有方法不能可靠地用于由三角形格腔加強(qiáng)的面板的結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算。本發(fā)明的目的為了進(jìn)行由三角形格腔加強(qiáng)的面板的結(jié)構(gòu)分析，根據(jù)復(fù)合板的理論，并且考慮到復(fù)合板的具體失效模式，提出一種結(jié)構(gòu)分析方法。所述方法適用于由具有各向同性性質(zhì)的材料制成的平直面板。這里說明的方法設(shè)想加強(qiáng)筋之間的底角(在“Isogrid”結(jié)構(gòu)中，為60° )的改變。這意味不再保證面板的各向同性性質(zhì)。發(fā)明的描述為此，本發(fā)明涉及一種利用分析方法，確定由同質(zhì)并且各向同性的材料組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強(qiáng)筋組件(稱為“網(wǎng)格”)增強(qiáng)的蒙皮構(gòu)成，這組加強(qiáng)筋在蒙皮上確定的格腔為三角形，加強(qiáng)筋為刀片狀，加強(qiáng)的面板必須符合對預(yù)定外部載荷的機(jī)械抗力的規(guī)范，各束加強(qiáng)筋之間的角度允許三角形格腔具有任意類型的等腰形狀。按照一種有利的實(shí)現(xiàn)方式， 所述方法包括以下步驟步驟2-根據(jù)加強(qiáng)的面板的幾何形狀，和假定位于面板的平面中并施加在(面板的)截面的重心處的外部載荷，計(jì)算施加在蒙皮和加強(qiáng)筋中的應(yīng)力，以及蒙皮中的流變和加強(qiáng)筋中的載荷，其中用兩個(gè)正交各向異性板的組合件表示加強(qiáng)的面板，用等效面板表示加強(qiáng)筋的網(wǎng)格。步驟3-計(jì)算加強(qiáng)的面板的內(nèi)部載荷，步驟4-抗力分析，包括在有限載荷和極限載荷下，計(jì)算材料的儲(chǔ)備系數(shù)，步驟5-計(jì)算局部應(yīng)力容量優(yōu)選地，所述方法通過每種加強(qiáng)筋(0°，+ Θ或者-Θ )的有效直線段的定義，考慮由加強(qiáng)筋的后期屈服引起的施加應(yīng)力在面板和加強(qiáng)筋的網(wǎng)格之間的重新分布，其中用Acr st，A+est和1^表示加強(qiáng)筋的后期屈服，通過計(jì)算面板的有效厚度ts rff，考慮由格腔的后期屈服引起的施加應(yīng)力在面板和加強(qiáng)筋的網(wǎng)格之間的重新分布，通過利用蘭貝格-奧斯古德(Ramberg-Osgood)定律,對材料的各種特性(尤其是楊氏模量和泊松系數(shù))迭代處理，考慮由施加的外部載荷的塑性引起的施加應(yīng)力在面板和加強(qiáng)筋的網(wǎng)格之間的重新分布，其中對加強(qiáng)筋的Ecr st，E+est，E_est和蒙皮的Exs，Eys和vepst進(jìn)行迭代處理。根據(jù)按照本發(fā)明的方法的一種優(yōu)選實(shí)現(xiàn)模式，所述方法包括利用塑性應(yīng)力的迭代計(jì)算方法修正施加的載荷，從而考慮塑性的步驟，所述迭代方法一直執(zhí)行到在處理開始時(shí)輸入的材料的5個(gè)參數(shù)(Ecr st,E+est,E_est, Eskin, Vep)顯然等于在塑性應(yīng)力的計(jì)算之后獲得的相同參數(shù)為止。按照一種有利的實(shí)現(xiàn)方式，所述方法包括分析抗力的步驟4，它包括比較加強(qiáng)的面板組件中的計(jì)算的施加載荷和材料的最大應(yīng)力容量，來實(shí)現(xiàn)包含在有限荷載和極限載荷下對材料的儲(chǔ)備系數(shù)進(jìn)行計(jì)算的抗力分析，其中修正所施加的載荷以考慮加強(qiáng)的面板的塑性。按照一種有利的實(shí)現(xiàn)方式，所述方法包括計(jì)算局部應(yīng)力容量的步驟5，它包括計(jì)算等腰三角形格腔的屈服流變?nèi)萘亢蛢?chǔ)備系數(shù)的子步驟5A，就儲(chǔ)備系數(shù)的計(jì)算來說，要考慮的施加應(yīng)力僅僅是影響蒙皮的應(yīng)力，所使用的外部流變是不對應(yīng)于加強(qiáng)面板被完全加載時(shí)的蒙皮流變。這種情況下，計(jì)算等腰三角形格腔的屈服流變?nèi)萘亢蛢?chǔ)備系數(shù)的子步驟5A最好包括兩個(gè)子步驟首先，利用有限元方法，計(jì)算承受純加載情況(與平面中的兩個(gè)方向相應(yīng)的壓縮，剪切載荷)的平板的容量值，隨后計(jì)算這些純加載情況之間的互作用曲線。更準(zhǔn)確地說，計(jì)算容量值包括以下子步驟·創(chuàng)建三角形板的FEM參數(shù)模型， 測試各種不同組合，以獲得屈服結(jié)果， 獲得與解析多項(xiàng)式相容的參數(shù)。在一種特殊的實(shí)現(xiàn)模式中，在純加載的情況下，用以下子步驟定義互作用曲線-創(chuàng)建具有不同等腰角的多個(gè)三角形板的有限元模型，等腰角(Θ)被定義為等腰三角形的底角，-對于每個(gè)等腰角1/利用有限元模型進(jìn)行計(jì)算，以確定各種板厚的褶皺的流變?nèi)萘?無塑性修正)。2/按照#比(D是平板剛性，h是三角形的高度)，跟蹤屈服容量的流變曲線，利用
按照該比例的二階等式，對#的較小值確定所述曲線，所述二階等式中的系數(shù)K1和K2取決
于角度和所考慮的載荷情況，3/按照等腰三角形的底角，跟蹤多項(xiàng)式等式的系數(shù)K1和K2的演變，這些系數(shù)是按照所考慮的三角形板的角度跟蹤的，并且進(jìn)行插值，以確定無論什么等腰角，都使得能夠計(jì)算這些常數(shù)的多項(xiàng)式等式。同樣，在計(jì)算等腰三角形格腔的屈服流變?nèi)萘亢蛢?chǔ)備系數(shù)的情況下，按照一種有利的方式，在復(fù)合加載的情況下，使用以下假定如果復(fù)合載荷的某些分量為拉伸分量，則計(jì)算不考慮這些分量，互作用曲線由以下子步驟定義-創(chuàng)建具有不同等腰角的多個(gè)三角形板的有限元模型，等腰角(Θ)被定義為等腰三角形的底角，-對于每個(gè)等腰角1/利用有限元模型(FEM)進(jìn)行計(jì)算，以確定與外部載荷的各種分布對應(yīng)的流變的本征值。2/對于每個(gè)角度和載荷的每種組合，跟蹤互作用曲線，隨后用覆蓋所有這些組合的如下的唯一等式近似這些曲線
RCXA+RCYB+Rsc = 1，其中A、B、C是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)
權(quán)利要求
1.一種利用分析方法，確定由同質(zhì)并且各向同性的材料組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強(qiáng)筋組件(稱為“網(wǎng)格”)增強(qiáng)的蒙皮構(gòu)成，所述加強(qiáng)筋組在蒙皮上確定的格腔為三角形，加強(qiáng)筋為刀片狀，加強(qiáng)的面板必須符合對預(yù)定外部載荷的機(jī)械抗力的規(guī)范， 其特征在于各束加強(qiáng)筋之間的角度允許三角形格腔具有任何等腰形狀，所述方法 -在定義每種加強(qiáng)筋的有效直線部分的步驟期間，考慮加強(qiáng)筋的后期屈服引起的施加應(yīng)力在所述面板和加強(qiáng)筋網(wǎng)格之間的重新分布，其中，對于角度0°，+0或-e，分別用A。。st，A+est和A_est表示加強(qiáng)筋的后期屈服有效直線部分， -在計(jì)算面板的有效厚度ts eff的步驟期間，考慮由格腔的后期屈服引起的施加應(yīng)力在面板和加強(qiáng)筋的網(wǎng)格之間的重新分布， -在通過利用Ramberg-Osgood規(guī)律,對材料的各種特性尤其是楊氏模量和泊松系數(shù)，對加強(qiáng)筋來說是Ecr st,E+est,E_e st對蒙皮來說是Exs，Eys和V epst,進(jìn)行迭代處理的步驟期間，考慮由施加的外部載荷的塑性引起的施加應(yīng)力在面板和加強(qiáng)筋的網(wǎng)格之間的重新分布。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括利用計(jì)算塑性應(yīng)力的迭代方法修正施加的載荷，從而考慮塑性的步驟，所述迭代方法一直執(zhí)行到在處理開始時(shí)輸入的材料的5個(gè)參數(shù)(E0. st，E+0st，E_0st，Eskin，vep)顯然等于在塑性應(yīng)力的計(jì)算之后獲得的所述參數(shù)為止。
3.按照前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法包括計(jì)算等腰三角形格腔的屈服流變?nèi)萘亢蛢?chǔ)備系數(shù)的步驟5A，就儲(chǔ)備系數(shù)的計(jì)算來說，要考慮的施加應(yīng)力僅僅是影響蒙皮的應(yīng)力，使用的外部流變是如下的蒙皮流變，該蒙皮流變不對應(yīng)于加強(qiáng)面板的完全加載。
4.按照權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于它包括兩個(gè)子步驟首先，利用有限元方法，計(jì)算承受純加載情況(與平面中的兩個(gè)方向相應(yīng)的壓縮，剪切載荷)的平板的容量值，隨后計(jì)算這些純加載情況之間的互作用曲線。
5.按照權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于容量值的計(jì)算包括以下子步驟 創(chuàng)建三角形板的有限元方法參數(shù)模型， 籲測試各種不同組合，以獲得屈服結(jié)果， 獲得與解析多項(xiàng)式相容的參數(shù)。
6.按照權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在純加載的情況下，用以下子步驟定義互作用曲線 -創(chuàng)建具有不同等腰角的多個(gè)三角形板的有限元模型，等腰角(9)被定義為等腰三角形的底角， -對于每個(gè)等腰角 I/利用有限元模型進(jìn)行計(jì)算，以確定各種板厚的褶皺的流變?nèi)萘?無塑性修正)， 2/按照比值# (D是平板剛性，h是三角形的高度)，跟蹤屈服流變?nèi)萘壳€，利用按照h該比例的二階等式，對比值#的較小值確定所述曲線，所述二階等式中的系數(shù)K1和K2取決h于角度和所考慮的載荷情況，3/按照等腰三角形的底角，跟蹤多項(xiàng)式等式的系數(shù)K1和K2的演變，這些系數(shù)是按照所考慮的三角形板的角度跟蹤的，并且進(jìn)行插值，以確定無論什么等腰角，都使得能夠計(jì)算這些常數(shù)的多項(xiàng)式等式。
7.按照權(quán)利要求5或6所述的方法，其特征在于，在復(fù)合加載的情況下，使用以下假定如果復(fù)合載荷的某些分量是拉伸分量，那么計(jì)算不考慮這些分量，互作用曲線由以下子步驟定義 -創(chuàng)建具有不同等腰角的多個(gè)三角形板的有限元模型，等腰角(9)被定義為等腰三角形的底角， -對于每個(gè)等腰角 I/利用有限元模型(FEM)進(jìn)行計(jì)算，以確定與外部載荷的不同分布對應(yīng)的屈服的本征值， 2/對于每個(gè)角度和載荷的每種組合，跟蹤互作用曲線，隨后用覆蓋所有這些組合的如下的唯一等式近似這些曲線 RCXA+RCYB+Rsc = 1，其中A、B、C是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，(這里
8.按照權(quán)利要求5-7中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，就簡單支承或者被夾持的等腰三角形板來說，在復(fù)合加載的情況下，對于所有的加載情況，使用互作用曲線Kx + Kr + Rs1 = I。
9.按照前述權(quán)利要求中任意一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述方法包括步驟6，在步驟6中計(jì)算總體不穩(wěn)定性，提供平直的加強(qiáng)面板在純加載或復(fù)合加載條件下的屈服流變?nèi)萘亢蛢?chǔ)備系數(shù)的數(shù)據(jù)，對儲(chǔ)備系數(shù)的計(jì)算來說，要考慮的施加的流變是加強(qiáng)面板的外部流變。
10.一種包括一系列指令的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，當(dāng)在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行時(shí)所述一組指令時(shí)，所述指令適合于實(shí)現(xiàn)按照前述任一權(quán)利要求所述的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用分析方法，確定由同質(zhì)并且各向同性的材料組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強(qiáng)筋組件(稱為“網(wǎng)格”)增強(qiáng)的蒙皮構(gòu)成。這組加強(qiáng)筋在蒙皮上確定的格腔為三角形，加強(qiáng)筋為刀片狀，加強(qiáng)的面板必須符合對預(yù)定外部載荷的機(jī)械抗力的規(guī)范，各束加強(qiáng)筋之間的角度是允許三角形格腔具有任意類型的等腰形狀。
文檔編號G06F17/50GK103038770SQ201080047853
公開日2013年4月10日 申請日期2010年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月14日
發(fā)明者格拉爾德·庫杜昂特, 保羅·梅西納 申請人:空中客車運(yùn)營簡化股份公司