层合复合材料网格加筋结构有限元分析方法研究.docx

层合复合材料网格加筋结构有限元分析方法研究

黄蔚

单位名称：北京宇航系统工程研究所

摘要：本文针对现有复合材料网格加筋结构铺层法、等效法两种有限元分析方法在静力计算

模块以及Buckle计算模块中分别进行对比分析。结果表明在仅考虑平面内刚度、剪切刚度

和主泊松比的情况下，等效刚度法可保证稳定性计算及强度计算精度。

关键词：复合材料网格加筋结构，分布外压，均布外压

1引言

针对层合复合材料网格加筋结构，现经常采用的有限元分析方法有铺层法及等效法。在

飞行器设计领域强度分析及结构稳定性分析是结构设计中最重要的问题。

复合材料薄壁加筋结构的静强度破坏中有很大一部分是由于丧失稳定性引起的。所以，

［1］。根据大量的试验保持稳定性是不同复合材料薄壁加筋结构形式的选择和设计的主要依据

［2］。对于复合材表明，结构的失效除少数是由局部强度破坏外，多数是由结构屈曲而引起的

料薄壁加筋结构舱段，可能出现薄壁失稳、筋条失稳和整体失稳。所以对复合材料网格加筋

结构不仅对其进行强度计算还应对其稳定性进行校核。

本文采用铺层法以及等效法对层合复合材料网格加筋结构的稳定性计算、强度进行计算

法，对两种计算方法进行对比分析。

2层合结构正交铺设刚度计算方法

单层的设计变量-铺设角θ，平面应力状态下单层正轴刚度特性是正交异性的单层正轴刚

度矩阵表达式见式1[3]-[4]：

?QQ0?

1112

??

?????

QQQ0

1222

??

00Q

??

66

公式（1）

式中：Q11=mE1，Q22=mE2，Q12=Q21=mν12E2,，Q66=G12

1

Q16=Q26=Q61=Q62=0

m?

1

1???

1221

其中只有4个独立刚度系数。

铺设角θ的偏轴刚度特性为各项异性，偏轴刚度矩阵表达形式见公式（2）：

??

QQQ

??

111216

?????

QQQQ

??

122226

??

QQQ

??

616266

公式（2）

??为对称矩阵，1221;1661;2662

Q?QQ?QQ?QQ

??

偏轴刚度系数与正轴刚度系数关系用偏角θ的三角函数表述，见公式（3）:

????

442222

Qmn2mn4mn

11

????

442222

??

Qnm2mn4mn

22

???Q?

11

???

????

???

Qm2n2m2n2m4n4-4m2n2Q

?????

3322

??

?????

Qm2n2m2n2m2n2222

-2(mn)

Q

??

44

12

????

??

Q

Q?--2(-)???

mnmnmnmnmnmn

3223333

??

66

55

??

??

????

Qmn-mnmn-mn2(mn-mn)

66

333333

公式（3）

m=cosθ，n=sinθ

层合结构正交铺设对称层合板正则化的面内刚度系数，见公式（4）：

A11=V(0)Q11+V(90)Q22=Q11-(Q11-Q22)V(90)

A22=V(0)Q22+V(90)Q11=Q22+(Q11-Q22)V(90)公式（4）

A12=Q12A66=Q66A16=A26=0

其中：V(0)和V(90)表示0°和90°方向铺层体积含量，n为铺层数

(0)n(90)n

(0)(90)

V?V?

nn

2

3有限元铺层法、折算工程常数法对比分析

3.1输入条件

利用ABAQUS有限元分析软件，对复合材料网格加筋结构进行分析时常用的方法有铺

层法、等效刚度法。现采用两种方法对复合材料网格加筋结构进行强度及稳定性分析。

3.1.1模型参数

结构参数如下；结构壳体半径为R，高度0.75R，环筋高度0.0125R厚度0.01R，纵筋高

度0.0125R厚度0.0088R，蒙皮厚度0.0038R，蒙皮加厚区为0.006R。

文中模型1：采用铺层法对层合复合结构网格加筋结构进行建模；

文中模型2：采用等效法刚度法进行建模。

图1层合复合材料网格加筋结构示意图

3.1.2材料参数

复合材料铺层方向以壳体蒙皮轴向为0°方向，环向为90°方向，沿筋条方向为0°方向。

铺层信息见表1。

表1复合材料铺层信息

单层厚度0.0001875R、铺层由内向外

柱段蒙皮[[0/±45/90]5]T

开口加强蒙皮[[0/±45/90]8]T

柱