CN109507040B - 一种蜂窝夹层结构面板压缩应力评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于材料力学领域，涉及一种蜂窝夹层结构面板压缩应力评估方法。本发明的方法通过有限元计算结果，提取出夹层结构单元的轴力、弯矩；再根据夹层结构截面的几何参数，计算截面的惯性矩，面板截面的面积；根据轴力与截面面积的比值计算轴向应力，根据弯曲公式，计算出夹层结构弯矩产生的弯曲应力，对夹层结构面板处的轴向应力和弯曲应力进行叠加进而计算出面板的最大压缩应力。本发明方法对夹层结构面板工作应力的计算可达到面板应力的最大值，能更准确的预测夹层结构面板的破坏。

Description

一种蜂窝夹层结构面板压缩应力评估方法
技术领域
本发明属于材料力学技术领域，涉及一种蜂窝夹层结构面板压缩应力评估方法。
背景技术
对于目前飞机上使用的蜂窝夹层结构，在进行面板的格间屈曲、面板皱损以及面板的剪切皱折时，都需要用到面板在载荷作用下的压缩应力。目前，国内外对面板压缩应力的计算一般采用NASTRAN有限元软件进行计算，然后通过选取面板上的应变值ε，计算面板的压缩应力σ＝Eε(E为面板的等效弹性模量)；或者直接选取面板上的应力值作为面板的工作应力，这些方法存在一个问题，这样计算得到的面板应力为面板的均值应力，而实际面板截面在梯度方向上的应力是不均匀的，面板的局部应力会大于目前采用的计算方法的应力，这样会造成面板的计算偏于危险，给型号研制带来风险。
在蜂窝夹层结构的强度计算中，蜂窝夹层结构面板的格间屈曲、面板皱损以及剪切皱折的计算都需要提取面板的工作应力，在以往面板的工作应力的计算中一般采用提取面板的应变，然后乘以面板的等效弹性模量，得到面板的工作应力，这种方法计算的面板的工作应力为面板的平均应力，而蜂窝夹层结构在承受弯曲载荷时，面板上的应力并不均匀，面板最外侧的应力最大，这样对蜂窝夹层结构的强度计算时会偏于危险，使结构提前破坏。
发明内容
本发明的目的是：设计一种蜂窝夹层结构面板压缩应力评估方法，以解决目前方法中存在的计算结果会偏于危险，可能会导致结构提前破坏的技术问题。
为解决此技术问题，本发明的技术方案是：
一种蜂窝夹层结构面板压缩应力评估方法，所述的蜂窝夹层结构面板压缩应力评估方法通过有限元计算结果，提取出夹层结构单元的轴力、弯矩；再根据夹层结构截面的几何参数，计算截面的惯性矩，面板截面的面积；根据轴力与截面面积的比值计算轴向应力，根据弯曲公式，计算出夹层结构弯矩产生的弯曲应力，对夹层结构面板处的轴向应力和弯曲应力进行叠加进而计算出面板的最大压缩应力。
所述的蜂窝夹层结构面板压缩应力评估方法步骤如下：
步骤一、根据有限元计算结果，提取夹层结构单元的轴力FN，弯矩Mx；
步骤二、利用材料力学中平面图形惯性矩的计算方法，确定蜂窝夹层结构截面上的惯性矩Iz；
步骤三、根据夹层结构单元的轴力FN，计算夹层结构面板的轴向应力σ1；
步骤四、根据夹层结构单元的弯矩Mx，计算夹层结构面板的最大弯曲应力σ2；
步骤五、根据夹层结构面板的轴向应力σ1及最大弯曲应力σ2计算夹层结构面板的最大压缩应力σ。
所述的步骤二中确定惯性矩Iz的公式具体如下：
Figure BDA0001902659710000021
其中t1为夹层结构面板一的厚度，t2为夹层结构面板二的厚度，tc为夹层结构芯子的厚度，b为夹层结构单元加载边长度。
所述的步骤三中轴向应力σ1的计算公式为：
Figure BDA0001902659710000022
其中A为夹层结构截面面板的面积。
所述的步骤四中最大弯曲应力σ2的计算公式为：
Figure BDA0001902659710000023
其中ymax为夹层结构面板到夹层结构截面形心的最大距离。
所述的步骤五中最大压缩应力σ的计算公式为：
Figure BDA0001902659710000031
本发明的有益效果是：采用本发明的蜂窝夹层结构面板压缩应力评估方法，可以获得蜂窝夹层结构面板压缩应力的最大值，改变以往蜂窝夹层结构面板强度计算偏危险的状态。
附图说明
图1为蜂窝夹层结构几何参数示意图；
图2为蜂窝夹层结构面板压缩应力评估方法步骤流程图；
图3为蜂窝夹层结构面板压缩应力评估方法计算推导示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明：
以某飞机夹层结构壁板为例，对本发明的蜂窝夹层结构面板压缩应力评估方法进行计算评估验证如下。
1、根据有限元计算结果，提取夹层结构单元的轴力FN，弯矩Mx；
2、参考图1所示夹层结构截面，利用材料力学中关于平面图形惯性矩的计算方法，可以确定蜂窝夹层结构截面上的惯性矩Iz为：
Figure BDA0001902659710000032
其中t1为夹层结构面板一的厚度，t2为夹层结构面板二的厚度，tc为夹层结构芯子的厚度，b为夹层结构单元加载边长度。
3、根据夹层结构单元的轴力FN，计算夹层结构面板的轴向应力σ1
Figure BDA0001902659710000033
其中A为夹层结构截面面板的面积。
4、根据夹层结构单元的弯矩Mx，计算夹层结构面板的最大弯曲应力σ2
Figure BDA0001902659710000034
其中ymax为夹层结构面板到夹层结构截面形心的最大距离。
5、根据夹层结构面板的轴向应力σ1及最大弯曲应力σ2计算夹层结构面板的最大压缩应力σ
Figure BDA0001902659710000041
整个的计算流程如图2所示，具体结算结果如下。
(1)选取夹层结构某单元的轴力FN＝-83.2及弯矩Mx＝7620.9；
(2)夹层结构单元的截面参数为t1＝t2＝0.432，tc＝10，b＝114，计算夹层结构截面惯性矩Iz＝12181.3；
(3)计算夹层结构面板轴力FN产生的应力σ1，
Figure BDA0001902659710000042
(4)计算夹层结构面板弯矩Mx产生的应力σ2；
Figure BDA0001902659710000043
(5)计算面板应力σ
σ＝σ1-σ2＝-37.78
面板的等效弹性模量为E＝30400，面板的压缩应变值为ε＝-420，则原来的计算方法计算出的面板的压缩应力为σ′＝Eε＝-30400×420×10-6＝-12.77。
可见，本发明的评估方法测算出的面板的应力要大于原来的测算方法，采用本发明的评估方法对结构的强度评估会比原始测算方法安全。采用本发明的评估方法的技术方案中步骤一至步骤四没有必然的先后顺序，参见图3的本发明评估方法的计算推导示意图，满足图3的推导先后顺序，即可得出蜂窝夹层结构面板的压缩应力。

Claims (1)

1.一种蜂窝夹层结构面板压缩应力评估方法，其特征在于：所述的蜂窝夹层结构面板压缩应力评估方法步骤如下：
步骤一、根据有限元计算结果，提取夹层结构单元的轴力FN，弯矩Mx；
步骤二、利用材料力学中平面图形惯性矩的计算方法，确定蜂窝夹层结构截面上的惯性矩Iz；
确定惯性矩Iz的公式具体如下：
Figure FDA0002900608430000011
其中t1为夹层结构面板一的厚度，t2为夹层结构面板二的厚度，tc为夹层结构芯子的厚度，b为夹层结构单元加载边长度；
步骤三、根据夹层结构单元的轴力FN，计算夹层结构面板的轴向应力σ1；
轴向应力σ1的计算公式为：
Figure FDA0002900608430000012
其中A为夹层结构截面面板的面积,t1为夹层结构面板一的厚度，t2为夹层结构面板二的厚度，b为夹层结构单元加载边长度；
步骤四、根据夹层结构单元的弯矩Mx，计算夹层结构面板的最大弯曲应力σ2；
最大弯曲应力σ2的计算公式为：
Figure FDA0002900608430000013
其中ymax为夹层结构面板到夹层结构截面形心的最大距离，t1为夹层结构面板一的厚度，t2为夹层结构面板二的厚度，tc为夹层结构芯子的厚度，b为夹层结构单元加载边长度；
步骤五、根据夹层结构面板的轴向应力σ1及最大弯曲应力σ2计算夹层结构面板的最大压缩应力σ,
最大压缩应力σ的计算公式为：
Figure FDA0002900608430000021
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