某型座椅復(fù)合材料椅盆虛實(shí)仿真

韓圓珍

航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽 441003

某型座椅復(fù)合材料椅盆虛實(shí)仿真

韓圓珍

航宇救生裝備有限公司，湖北 襄陽 441003

應(yīng)用復(fù)合材料層合板理論結(jié)合工程簡(jiǎn)化方法對(duì)某型座椅復(fù)合材料椅盆進(jìn)行仿真分析，研究其最先一層失效強(qiáng)度，并通過靜力試驗(yàn)驗(yàn)證理論分析與試驗(yàn)結(jié)果的一致性。

復(fù)合材料；椅盆；虛實(shí)仿真

隨著航空工業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)航空器的要求越來越高。為了增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，需要不斷提高航空器的性能，設(shè)法減輕結(jié)構(gòu)重量，并提高結(jié)構(gòu)的可靠性、維修性。在這種迫切的需求下，復(fù)合材料的出現(xiàn)日益顯示出其得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)和無窮的潛力。目前，復(fù)合材料在航空結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用已逐漸從次結(jié)構(gòu)過渡到了主結(jié)構(gòu)，并進(jìn)入主承力結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)?；A(chǔ)的復(fù)合材料理論為復(fù)合材料的應(yīng)用提供了理論依據(jù)，在此基礎(chǔ)上，基于有限元理論而編制的各種強(qiáng)度計(jì)算軟件近年來在復(fù)合材料的應(yīng)用中顯示出強(qiáng)大的支持力。采用有限元計(jì)算程序，結(jié)合與理論分析相比擬的工程簡(jiǎn)化方法能對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度作簡(jiǎn)便、快捷的評(píng)估，用于指導(dǎo)結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)。本文采用MSC.NASTRAN大型通用有限元計(jì)算軟件對(duì)某型座椅的復(fù)合材料層合板椅盆進(jìn)行力學(xué)仿真并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

一、復(fù)合材料層合板的強(qiáng)度分析方法

(一)層合板的內(nèi)力

層合板的內(nèi)力與金屬材料有很大的不同，由于各單層鋪設(shè)方向不同，應(yīng)變沿厚度是連續(xù)變化的，但應(yīng)力在各層之間可能差別很大，因而破壞過程一般是一層一層進(jìn)行的，一個(gè)層(或?qū)咏M)破壞后將引起層合板的整體剛度下降，各層(或?qū)咏M)應(yīng)力重分配，原來破壞層的應(yīng)力將由其它各單層承擔(dān)，這樣一直下去，直至全部單層板破壞，最終引起復(fù)合層板的總體破壞。

(二)層合板的應(yīng)力應(yīng)變分析和強(qiáng)度計(jì)算

層合板在外力作用下會(huì)產(chǎn)生拉剪變形或拉彎扭組合變形，由此可計(jì)算板的面內(nèi)應(yīng)變或中面應(yīng)變和曲率，進(jìn)而計(jì)算各單層的應(yīng)變和應(yīng)力。它們是進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算的基礎(chǔ)。層合板的強(qiáng)度計(jì)算是以單層板為基本單元的宏觀分析方法，并以單層板的強(qiáng)度作為已知條件。本文采用最先一層失效強(qiáng)度理論來校核層合板的強(qiáng)度。

二、復(fù)合材料椅盆的強(qiáng)度計(jì)算

(一)復(fù)合材料椅盆的有限元建模

將椅盆CAD三維模型導(dǎo)入有限元分析軟件PATRAN。在不影響重點(diǎn)考核區(qū)域強(qiáng)度的前提下，對(duì)原結(jié)構(gòu)中的圓角進(jìn)行適度簡(jiǎn)化。在椅盆兩側(cè)側(cè)板劃分對(duì)稱網(wǎng)格以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。全結(jié)構(gòu)劃分為422個(gè)四邊形單元，共469個(gè)結(jié)點(diǎn)。

(二)載荷及邊界條件

根據(jù)以往的研制經(jīng)驗(yàn)，選取受力最嚴(yán)重的向前載荷狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，該載荷由椅盆支承力及腰帶、肩帶的約束力平衡。

椅盆背部有上下兩對(duì)的滑套與骨架的主桿相連，椅盆上裝有安全帶接頭、滑動(dòng)組件接頭、慣性卷筒和升降機(jī)構(gòu)。在椅盆與其他組件的連接處施加約束。

(三)材料

1.單層板的性能

E1=135000MPa E2=8800MPa μ12=0.33 G12=4500MPa

2.層合板

層合板的鋪層為0°/45°/-45°組合鋪層，共26個(gè)單層，為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，單層厚度0.125mm。

(四)單元屬性

由于復(fù)合材料是各向異性的，所以當(dāng)結(jié)構(gòu)的方向有變化時(shí)，就要使用局部坐標(biāo)系，使材料的性能與結(jié)構(gòu)的方向保持一致。椅盆的頂部、靠背、座面、側(cè)板的上部和下部材料方向均不同，因此選擇相應(yīng)的材料坐標(biāo)系，分別定義單元屬性，具體見圖1。

三、計(jì)算結(jié)果

(一)應(yīng)力及位移

篇幅所限，椅盆位移圖及鋪層1的應(yīng)力圖見圖2-圖3。

圖1 材料坐標(biāo)系 圖2 椅盆位移圖

鋪層1的σ1應(yīng)力圖 鋪層1的σ2應(yīng)力圖 鋪層1的τ12應(yīng)力圖

(二)最先一層失效強(qiáng)度

根據(jù)強(qiáng)度比理論及蔡—希爾強(qiáng)度理論，相應(yīng)的判別式為

R>1 表明安全，其值為安全裕度

R=1 表明破壞或失效

R<1 無實(shí)際意義

其中X=1548 MPa Y=55.5 MPa S=89.9 MPa

1-13鋪層的σ1、σ2、τ12及R數(shù)值見表1。

表1 1-13鋪層的σ1、σ2、τ12及R值

(三)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析

所有鋪層的R值均大于1.5，表明層合板整體安全，有足夠的安全裕度。其中，第1層也就是最外層的R值最小，說明如果繼續(xù)加大載荷，該層將最先失效。由于其σ1遠(yuǎn)大于其他應(yīng)力，因此是因縱向拉裂而失效。

四、試驗(yàn)驗(yàn)證

座椅的靜力試驗(yàn)共進(jìn)行了5個(gè)方向(向上、向后、向下、向前、側(cè)向)的限制載荷及極限載荷試驗(yàn)。向前狀態(tài)試驗(yàn)完畢后測(cè)得椅背頂部中點(diǎn)位移為52mm，計(jì)算結(jié)果顯示該處位移為47mm，誤差為9.6%。

各狀態(tài)限制載荷試驗(yàn)后，試驗(yàn)件各項(xiàng)調(diào)節(jié)功能沒有受到影響，結(jié)構(gòu)沒有產(chǎn)生有害的變形：最大變形位于靠背和座面，不會(huì)妨礙飛機(jī)的正常操縱。

各狀態(tài)極限載荷試驗(yàn)后，試驗(yàn)件沒有出現(xiàn)總體破壞，也沒有出現(xiàn)永久變形。

五、結(jié)論

有限元計(jì)算結(jié)果顯示椅盆的位移主要集中在座板和靠背頂部，其他位置位移很小。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相一致，說明復(fù)合材料椅盆的強(qiáng)度分析以層合板建模是合理的，結(jié)果是準(zhǔn)確可靠的。根據(jù)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)靜強(qiáng)度、剛度設(shè)計(jì)要求及該座椅的設(shè)計(jì)規(guī)范，該椅盆完全滿足要求。

[1]張志民.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué).北京航空航天大學(xué)出版社，1993.

[2]馬愛軍，周傳月，王旭.Patran和Nastran有限元分析專業(yè)教程.清華大學(xué)出版社，2005.

[3]楊乃賓.復(fù)合材料飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).航空工業(yè)出版社，2002.

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