04复合材料梁有限元分析-李伟(5).doc

04复合材料梁有限元分析-李伟(5).doc:..第二十八届(2012)全国直升机年会论文复合材料梁有限元分析李伟黄增熊绍海(中国直升机设计研究所,景德镇,333001)摘要:以复合材料柔性梁结构和有限元原理为基础,考虑复合材料的各向界性,结合八W\SYS建立柔性梁铺层结构优化模型,参照柔性梁的连接形式与受载类型进行有限元计算分析,并与试验结果进行对比评价。关键词:复合材料;柔性梁件;铺层:层间剪切0前言无轴承旋翼是目询最先进的直升机旋翼结构型式,它通过复合材料柔性梁的弹性变形取代传统旋翼桨毂的水平较、垂直较和轴向较,实现桨叶的挥舞、摆振和变距运动。柔性梁一方而可以保证结构所需的弯曲刚度和强度,同吋乂貝有很低的扭转刚度,满足桨叶变距操纵的要求。山于这种旋翼结构型式十分简单,零件数目少,重量轻,可靠性安全性高,具有较低的寿命周期成本,许多先进总升机己经或都将采用无轴承旋翼构型。国外文献记载,复合材料柔性梁的结构设计,一•般对柔性梁各个剖而以及各个铺层间的应力分布进行分析,进行结构的优化设计以使得柔性梁的应力分布趋于合理,从而使柔性梁具有足够的寿命。本文利用ANASYS软件粘:确建立试验梁铺层结构模型,分析柔性梁在不同受力状态下的应力分布,找岀结构设计的薄弱处,并通过试验对分析结果进行验证。1柔性梁的结构特点一般铺层复合材料要求具有大的许用弯Illi应变、良好的扭转特性、人的损伤容限和重量轻等特点,国外常见梁的截面类型有薄矩形、工字型、十字型等型式;梁截而设计要求在考虑强度和动力学特性的同时,具有低的扭转刚度,本文选取矩形截面梁进行分析,矩形截面柔性梁具有成型工艺比较简单,制造成本低等特点。国外柔性梁的基本选材是玻璃纤维增强材料,其柔性梁采用玻璃大梁带与玻璃布混合铺层,玻璃纤维具有更大的许用应变、对初始(制造)缺陷更不敏感和成本低得多。2柔性梁在ANASYS软件中的建模将两件柔性梁试样改造为试验件,试验件几何模型如图1,I梁与II梁试验件的Z330剖面通过图示螺栓孔屮心,II梁在I梁的基础上对铺层做调整。A端(Z0剖面)固支,梁自由端面由玻璃大梁带缠绕,再由金属夹板与螺栓夹持,B端承受轴向力F(x向)及挥舞载荷N(z向),F与N载荷状态是根据梁展向试验动弯矩理论来确定。N(AB方向为X轴)利用ANSYSWorkbench对模型进行网格划分,同时根据复合材料铺层情况,对模型进行处理,删除模型中对计算结果影响很小的一些部件和细节特征。为提高应力计算的精度与可靠性,将模型所冇部件均划分为六面体单元,并且对试验梁进行网格细化,厚度方向冇多层网格。利用复合材料梁截面定义功能,输入复合材料的各铺层力学性能参数、铺层详细情况和铺层方向,如图2所示。000FR0»0DimOO(rwn)7600图2试验梁冇限元模型总体与局部铺层示意3柔性梁应力分析对于此悬臂试验梁结构,主要分析靠近柔性梁根部区域的层间敢应力,设图2中梁故右侧复合材料铺层从下到上依次编号,最上层为第64层。两件梁Z0至Z160剖面Z间典型层间剪应力分布如图3所示。・U;'.'力加3^■.