04复合材料梁有限元分析-李伟(5).doc

复合材料梁有限元分析李伟黄珺熊绍海(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异性,结合ANASYS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;层间剪切前言无轴承旋翼是目前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铰、垂直铰和轴向铰,实现桨叶的挥舞、摆振和变距运动。柔性梁一方面可以保证结构所需的弯曲刚度和强度,同时又具有很低的扭转刚度,满足桨叶变距操纵的要求。由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,许多先进直升机已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面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软件精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,找出结构设计的薄弱处,并通过试验对分析结果进行验证。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曲应变、良好的扭转特性、大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;梁截面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。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中心,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。(a)几何简化结构(b)几何模型图1试验梁几何模型利用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,将模型所有部件均划分为六面体单元,并且对试验梁进行网格细化,厚度方向有多层网格。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。图2试验梁有限元模型总体与局部铺层示意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剪应力,设图2中梁最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剖面之间典型层间剪应力分布如图3所示。(a)Ⅰ梁第8层和第9层之间层间剪应力云图(b)Ⅱ梁第8层和第9层之间层间剪应力云图(c)Ⅰ梁第22层和第23层之间层间剪应力云图(d)Ⅱ梁第22层和第23层之间层间剪应力云图(e)Ⅰ梁第54层和第55层之间层间剪应力云图(f)Ⅱ梁第54层和第55层之间层间剪应力云图图3典型层之间的层间剪应力云图以Z42剖面作为分析面,该剖面典型层间的剪应力沿展向(y向)分布曲线如图4。