复合材料夹层结构有限元分析

ANSYS复合材料仿真分析及其在航空领域的应用

复合材料，是由两种或两种以上性质不同的材料组成。主要组分是增强材料和基体材料。复合材料不仅保持了增强材料和基体材料本身的优点，而且通过各相组分性能的互补和关联，获得优异的性能。复合材料具有比强度大、比刚度高、抗疲劳性能好、各向异性、以及材料性能可设计的特点，应用于航空领域中，可以获得显著的减重效益，并改善结构性能。目前，复合材料技术已成为影响飞机发展的关键技术之一，逐渐应用于飞机等结构的主承力构件中，西方先进战斗机上复合材料使用量已达结构总重量的25%以上。飞机结构中，复合材料最常见的结构形式有板壳、实体、夹层、杆梁等结构。板壳结构如机翼蒙皮，实体结构如结构连接件，夹层结构如某些薄翼型和楔型结构，杆梁结构如梁、肋、壁板。此外，采用缠绕工艺制造的筒身结构也可视为层合结构的一种形式。一.复合材料设计分析与有限元方法复合材料层合结构的设计，就是对铺层层数、铺层厚度及铺层角的设计。采用传统的等代设计（等刚度、等强度）、准网络设计等设计方法，复合材料的优异性能难以充分发挥。在复合材料结构分析中，已经广泛采用有限元数值仿真分析，其基本原理在本质上与各向同性材料相同，只是离散方法和本构矩阵不同。复合材

料有限元法中的离散化是双重的，包括了对结构的离散和每一铺层的离散。这样的离散可以使铺层的力学性能、铺层方向、铺层形式直接体现在刚度矩阵中。有限元分析软件，均把增强材料和基体复合在一起，讨论结构的宏观力学行为，因此可以忽略复合材料的多相性导致的微观力学行为，以每一铺层为分析单元。二.ANSYS复合材料仿真技术及其在航空领域应用复合材料具有各向异性、耦合效应、层间剪切等特殊性质，因此复合材料结构的精确仿真，已成为现代航空结构的迫切需求。许多CAE程序都可以进行复合材料的分析，但是大多程序并没有提供完备的功能，使复合材料的精确仿真难以完成。如有些程序不提供非线性分析能力，有些不提供层间剪切应力的求解能力，有些不提供考虑材料失效破坏继续计算能力等等。ANSYS作为一款著名的商业化大型通用有限元软件，广泛应用于航空航天领域，为飞机结构中的复合材料层合结构分析提供了完整精确的解决方案。1.复合材料的有限元模型建立针对飞机结构中的复合材料层合板、梁、实体以及加筋板等结构类型，ANSYS提供一种特殊的复合材料单元———层单元，以模拟各种复合材料，铺层数可达250层以上，并提供一系列技术模拟各种复杂层合结构。复合材料层单元支持非

智能复合材料风力机叶片没计与有限元分析　５７　

智能复合材料风力机叶片设计与　

有限元分析　

Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　ｏｆ　Ｓｍａｒｔ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｗｉｎｄ　

Ｔｕｒｂｉｎｅ　Ｂｌａｄｅ　ａｎｄ　Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　

乔印虎　，韩江　，张春燕。，陈杰平　

（１合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥２３０００９；　２安徽科技学院机电与车辆工程学院，安徽凤阳２３３１００）　

ＱＩＡＯ　Ｙｉｎ—ｈｕ　，ＨＡＮ　Ｊｉａｎｇ　，ＺＨＡＮＧ　Ｃｈｕｎ—ｙａｎ。，ＣＨＥＮ　Ｊｉｅ—ｐｉｎｇ　（１　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｆｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ　２３０００９，Ｃｈｉｎａ；２　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ—ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ａｎｄ　

Ａｕｔｏｍｏｈｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ａｎｈｕｉ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｅｎｇｙａｎｇ　２３３１００，Ａｎｈｕｉ，Ｃｈｉｎａ）　

摘要：随着风力发电机叶片的大型化，将智能材料粘贴在叶片表面或嵌入叶片内部形成新的结构，智能材料作为传感器　和作动器。设计了小型风力发电机叶片及其智能夹层结构，用有限元分析软件Ａｌｇｏｒ分析埋入的压电材料逆压电效应　下的应力、位移，并与气动力作用下的叶片流体计算结果进行对比。分析实现叶片振动主动控制的可行性，以防止叶片　这一弹性体发生颤振。　关键词：风力机叶片；压电智能复合材料；建模；有限元分析　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—４３８１．２０１３．０５．０１２　中图分类号：ＴＫ８３　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１　４３８１（２０１３）０５—００５７—０５　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｓｉｚｅ　ｏｆ　ｗｉｎｄ　ｔｕｒｂｉｎｅ　ｂｌａｄｅｓ，ｔｈｅ　ｎｅｅｄ　ｆｏｒ　ｍｏｒｅ　ｓｏｐｈｉｓｔｉｃａｔｅｄ　１ｏａｄ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｈａｓ　ｉｎｄｕｃｅｄ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｅｓｔ　ｆｏｒ　ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｗｉｔｈ　ｂｕｉｌｄ—ｉｎ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｂｌａｄｅｓ．　Ｎｅｗ　ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　ｃｏｎｃｅｐｔｓ　ｈａｖｅ　ｅｍｅｒｇｅｄ　ｗｈｅｒｅ　ｍｕｌｔｉｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｅｘｈｉｂｉｔｉｎｇ　ａ　ｓｔｒｏｎｇ　

复合材料蜂窝夹层结构的总体稳定性研究

摘要：蜂窝夹芯板是一种典型的复合材料结构，由两块高强度、高刚度的薄面板和低密度、低刚度、低强度的厚芯板组成。由于其高比强度、比刚度和较好的隔热、隔振、抗冲击等优点，成为航空航天不可缺少的材料之一。当前，在型号研制中，蜂窝夹层结构已成功地应用于飞机的翼面、舵面、地板、雷达罩及整流罩。复合材料蜂窝夹层结构在压、剪载荷作用下的的主要失效模式可分为局部失效和总体失稳两大类，局部失效主要包括面板失效、蜂窝失效和界面失效等。

关键词：蜂窝夹层结构；总体稳定性；有限元；

用两种有限元模型和工程方法分别对复合材料蜂窝夹层结构在压缩、剪切载荷作用下的总体稳定性进行了计算，根据各计算结果与试验结果进行了对比分析。结果表明：对于承受压缩载荷的结构，采用工程计算法能够较好的预估结构的屈曲临界载荷，而对于承受剪切载荷的结构，采用三维有限元法能较好的计算结构的屈曲载荷。

一、试验

1.试验件。试验件分为压缩试验件和剪切试验件两类。试验件单向带材料为CCF300/BA9916-II，织物的材料为CF3031-BA9916-II，蜂窝芯子的材料为NRH-2-48。压缩试验件尺寸为720mm638mm，端部36mm进行灌胶处理并将蒙皮加厚作为夹持端，蜂窝芯子处面板铺层为[(±45°)/0/(±45°)]，在试验件两侧边10mm区域进行灌胶处理，蜂窝芯子的厚度为8mm。剪切试验件为正方形，边长为850mm，蜂窝芯子处面板铺层为[(±45°)/0/(±45°)]，试验件的侧边处过渡为层压板结构并进行局部加厚作为试验件的夹持端。

2.试验过程。对压缩试验件，试验时需设计压缩试验夹具以实现对试验件提供轴向压缩加载，设计时需要2套夹具，一套用来夹持试验件的端部，便于载荷的施加，同时也对试验件的端部提供支持，一套用来夹持试验件的侧边，对试验件的侧边提供支持。试验中确保试验加载的压心通过试验件的形心，以实现试验件处于纯压缩状态，这是压缩试验中最困难的一点，可以通过在试验件两侧对称位置粘贴应变片，比较对称位置的应变来调节压缩试验的加载。

复合材料层合／夹层板热膨胀／弯曲有限元分析

本文介绍了有限元软件ABAQUS的有限元建模和仿真分析的过程，并且应用ABAQUS对层合板/夹层板的热膨胀和热弯曲问题进行分析，建模过程中分别采用实体单元和壳单元两种不同单元建模，分别对两种单元建立模型的热膨胀和热弯曲问题仿真分析。通过与精确解的比较可以得出：实体单元可以更好的应用于复合材料层合/夹层结构的热膨胀和热弯曲问题。具有一定的工程指导意义。

标签：层合板；夹层板；热膨胀；热弯曲

1 引言

复合材料具有低密度比强度、高比强度和高比刚度等性能，并且还具有稳定的化学性质、良好的耐磨性和良好的耐热性等优点，已经广泛的应用在航空航天领域。复合材料无论是在制备还是应用的过程中，都不可避免的与热接触，或者是处于热环境之中。复合材料层合结构和夹层结构在使用过程中会因温度变化而产生热膨胀，受热后产生的应力、应变会对复合材料的力学性能产生重要影响，在热应力的作用下，可能会导致结构的失效。因此，复合材料受温度影响而导致的热膨胀和热弯曲问题的分析是十分重要的。而且这个研究方向是一个非常值得深入的研究方向。国内外对于热问题的研究在理论方面已经取得了重大进展，但是在实际工程问题分析中，有许多问题应用理论求解时时非常困难的，甚至有的问题无法求解。随着有限云方法的出现和有限云软件的发展，使得有些工程问题变得简单高效。本文采用有限云软件ABAQUS对于复合材料层合结构和夹层结构的热膨胀和热弯曲问题进行仿真分析。

2 复合材料层合板/夹层板几何模型的建立

2.1 复合材料层合板/夹层板几何模型的建立

本文建立的模型是用有限元软件ABAQUS建立的，具体的建模步骤如下：本文建立的复合材料三层板分别采用实体单元和壳单元，两种不同的单元建立的。首先介绍实体单元有限元模型的建立。实体单元建立模型时进入Part模块，选择三维，实体，可变性，模型空间“大约尺寸”设置为50，其他参数保持不变，采用实体单元建模的时候，采用的是实体拉伸，点击继续进入草图编辑界面。使用创建矩形框创建长度和宽度均为1的矩形，总体厚度为0.2。然后在Part模块中将其均匀分为三层。分为三层时采用的方法如下所示：首先要创建基准平面，绕后利用拆分几何元素：使用基准平面，将其均匀的分为三层。在创建壳单元步骤与实体单元相同，不同之处在于壳单元创建时Shell模块下创建的。创建壳单元的时候，模型空间选择三维模型，模型的类型选择可变性，模型的形状选择壳，而模型的形状选择面。