单位文秘网 2021-08-30 09:01:11 点击: 次
摘 要:讨论了加筋壁板的静强度计算方法,研究分析了工程梁方法、有限元方法的原理及思路,结合实例比较分析了两种方法计算结果的差别,并指出了原因,具有一定的工程应用价值。
关键词:加筋壁板;工程;有限元
加筋壁板作为半硬壳式机身结构部件之一,广泛地应用于航空结构设计中,加筋壁板一般通过数控加工成型。若加筋壁板用于外蒙皮上,与铆接件相比,加筋壁板不需采用铆接、胶接、焊接和螺接等技术将蒙皮和长桁连接起来,可减轻结构重量、提高结构疲劳寿命,并且外形尺寸准确、表面光滑,也使得飞行性能得到了提升。
加筋壁板的主要作用是承受面内及垂向载荷,其上面的加强筋是承受垂向载荷的重要部件,并可以保证壁板有足够的稳定性来承担面内载荷。目前加筋板的屈曲与静强度分析已受到广泛的重视。根据研究方法的不同,主要有以下方法:理论解析法、工程梁方法、有限元法、试验法等。由于理论解析法的不便、试验条件的限制,目前广泛应用在航空领域的加筋板强度计算方法主要是工程梁方法、有限元法。
本文汇总了加筋壁板的静强度计算方法,重点讨论了工程梁方法、有限元方法的原理及思路,比较分析了两者的不同之处,指出了相应的适用范围,具有较强的工程应用价值。
1 工程梁方法
某四边简支矩形平板中心承受大小为F的载荷,由于载荷总是以最直接的方式传递到四边支持结构上,因此将平板中心O点与四边简支点连接起来就是力在平板内传递的流线图。
把载荷F替换为均匀分布的压强P,根据上述分析,各部分分别承担各自范围内的载荷。某加筋板承受均匀分布的载荷P,将筋条简化为双支点工程梁,可得该筋条承受的载荷。
2 有限元计算方法
有限单元法是处理连续介质问题的一种普遍方法。其基本思路是:将连续的求解域离散成一组有限个单位的集合体,这样的组合体能解析地模拟或逼近求解区域;并且在单元内假设近似的函数来表示全求解域上待求的未知场函数,单元内的近似函数通常由单元结点位移的插值函数表达,并由变分原理建立单元的刚度矩阵,最后求解出结点位移及应力。
2.1 板弯曲问题的分类
平板在外载荷作用下发生弯曲变形时,依板的尺寸比例和挠度大小而有不同的弹性,板厚度不超过板平面最小尺寸的四分之一,可以作为薄板处理。航空领域应用的板壳结构均属于薄板这个范畴,又从工程角度而言,薄板弯曲又可分为小挠度弯曲、大挠度弯曲两类问题,其中小挠度是指板的最大挠度不超过板厚度的二分之一,大挠度是指板的最大挠度不超过板平面最小尺寸的四分之一。本文讨论的板弯曲问题主要是薄板大挠度弯曲。
薄板大挠度弯曲在工程上常被作为几何非线性问题,用Nastran中的非线性弹性模块计算。对于几何非线性问题,平衡方程应建立在变形后的位形上,同时应变表达式也应包括位移的二次项,因此平衡方程和几何关系都是非线性的。解非线性方程组的最常用的方法是Newton-Raphson方法,其迭代公式如下所示。
Newton-Raphson在每次迭代时需形成切线刚度矩阵,计算工作量大,但收敛比较快。
2.2 算例
根据本文第1节的算例建立起有限元模型,壁板及筋条全部采用壳单元模拟,结果如图1所示。从图1可知加筋板最大Von-Mises应力为129MPa,位于筋条上。与工程计算方法相比,非线性计算结果偏小。
3 比较分析
为了进一步比较分析有限元法与工程法的差别,在加筋板几何参数不变的情况下,载荷依次取5KPa、10KPa、15KPa、20KPa、25KPa、
30KPa,分别采用有限元法与工程法计算筋条上的最大Von-Mises应力,如表1所示。
从表1可以看出,有限元法的计算结果均小于工程方法的计算结果。
4 结束语
讨论了加筋壁板的静强度计算方法:工程梁方法、有限元方法,结合算例对两种计算方法进行了比较分析,结果表明:与有限元法相比,工程梁方法的计算结果偏保守,原因在于工程梁方法认为壁板腹板仅起到传递载荷的作用,而没有考虑腹板本身的承载能力。
参考文献
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[2]张常伟.加筋板稳定性承载能力的研究[D].上海海事大学.2006.6.
[3]徐芝纶.弹性力学[M].高等教育出版社.1978.1.
作者简介:邹群飞(1982,9-),男,江西省新干县人,2004年毕业于哈尔滨工程大学,工程师,现从事飞机强度设计工作。
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