一种双层铝合金加筋型材的结构等效方法技术

本发明专利技术公布了一种双层铝合金加筋型材的结构等效方法，其特征在于：首先根据铝合金型材的结构和变形特点，列写型材等效刚度矩阵，然后根据板壳理论和弹性力学，求出铝合金型材等效刚度矩阵中的每一个元素，最后设计一种各向异性薄板，使该薄板的长度等于双层铝合金加筋型材的长度，宽度等于型材的宽度，厚度等于型材的厚度，面密度等于型材的等效密度，刚度等于型材的等效刚度，那么该薄板的整体力学性能等效于双层铝合金加筋型材的整体力学性能，在数值计算中就可用该薄板来代替双层铝合金加筋型材，从而可快速构建由双层铝合金加筋型材为主体生产的各种车辆的近似模型，大幅提升有限元建模效率，减少仿真时间，有利于缩短产品的研发周期。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种双层铝合金加筋型材的结构等效方法，具体的，是利用板壳理论和弹性力学将双层铝合金加筋型材等效为单层均质各向异性薄板，属于弹性力学领域。
技术介绍
双层铝合金加筋型材是由上、下层铝合金面板及中间加筋板构成的复合结构，具有质量轻、隔音效果好，性能稳定等优点，同时又有足够高的结构强度和刚度，与同厚度、同材料的铝合金板相比，虽然重量小得多，但承载能力却相当，是车体轻量化设计的理想用材，已经替代了传统的铝合金板，成为高速列车、地铁车辆、城际快线的主体材料。随着数值计算技术的发展，铁路车辆设计已经从经验设计阶段升级到数字化设计阶段，但设计出来的车体是否满足静、动强度、气动特性、舒适性(包括振动及噪声)要求，需要实验验证，而在实验验证之前，为了降低生产成本，通常需建立所设计车辆的有限元或有限体积模型，然后进行相应分析，并将分析结果和车辆的设计指标进行对比，对不满足设计要求的部分进行结构改进或优化，然后对改进方案进行进一步仿真分析，直至相关指标满足车辆的相应标准。然而，如果采用双层铝合金加筋型材结构直接建立车辆的有限元分析模型，网格数量将达数百万甚至千万，尤其是在分析车体的声学性能时，需针对各个频段进行分析，计算量极其庞大，成本也高，而且不利于规律的把握。如果能把车体的铝合金型材简化为等效的薄壳结构，可使车体网格数量降低3～5倍，从而显著提高仿真计算效率。因此，专利技术一种能将铝合金型材简化为薄壳结构的等效方法，很有实用价值。目前，现有的结构等效方法主要有三明治夹心板理论、蜂窝板理论、等效板理论、等效参数法和振动模态法，前三个理论是针对蜂窝夹芯板，不能直接应用于双层铝合金加筋型材；而后两个理论是通过数值仿真分析得到等效参数，数值仿真是一种近似方法，无法得到准确结果，且不具有通用性。
技术实现思路
针对上述问题和不足，本专利技术公布了一种双层铝合金加筋型材的结构等效方法，其特征在于：首先根据铝合金型材的结构和变形特点，列写型材等效刚度矩阵，然后求出铝合金型材等效刚度矩阵中的每一个元素，最后设计一种各向异性薄板，使其面密度、刚度与双层铝合金加筋型材的等效密度、等效刚度相等，那么该薄板的力学性能和双层铝合金加筋型材的力学性能等效，在数值计算中就可用该薄板来代替双层铝合金加筋型材。为实现上述目的，所述的双层铝合金加筋型材的结构等效方法，按照以下步骤实施：步骤A，根据双层铝合金加筋型材的结构和变形特点，列写铝合金型材的等效刚度矩阵；步骤B，根据板壳理论和弹性力学，求出铝合金型材等效刚度矩阵中的每一个元素；步骤C，设计一种各向异性薄板，使该薄板的长度等于双层铝合金加筋型材的长度，宽度等于型材的宽度，厚度等于型材的厚度，面密度等于型材的等效密度，刚度等于型材的等效刚度，那么该薄板的整体力学性能和双层铝合金加筋型材的整体力学性能等效。本专利技术有益效果是：把双层铝合金加筋型材简化为等效的各向异性薄板，可以快速构建由双层铝合金加筋型材为主体生产的各种铁道车辆的近似模型，用近似模型来分析车辆的性能，可大幅提升有限元建模效率，削减计算成本，有利于缩短产品的研发周期。附图说明图1为双层铝合金加筋型材的单元结构图图2为型材半单元在x方向产生拉伸变形u的示意图图3为纯弯矩M11作用下型材半单元的受力及变形图图4为纯弯矩M11作用下型材半单元各面板的受力分析图图5为型材单元形心示意图图6为纯扭矩M12作用下型材半单元各面板的受力分析图具体实施方式下面结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步详细描述。双层铝合金加筋型材的壳体厚度和中面最小曲率半径之比h/R≈0，属于典型板壳结构。根据板壳理论的Kirchhoff-Love假设，可以对双层铝合金加筋型材作出如下假设：①在弯曲中，平板中面的法线依然保持为直线，垂直于中面；②面板和筋板厚度远小于两面间距，因而其局部弯曲刚度远小于整体刚度，其引起的弯矩在计算中忽略不计；③面板及筋板厚度方向应力忽略不计。本专利技术的双层铝合金加筋型材的结构等效方法，其基本思路是：首先，根据铝合金型材的结构和变形特点，列写型材的等效刚度矩阵；然后，求出铝合金型材等效刚度矩阵中的每一个元素；最后，设计一种各向异性薄板，使其密度和刚度与双层铝合金加筋型材的等效密度及等效刚度相等。本专利技术的双层铝合金加筋型材的结构等效方法，按照以下步骤实施：步骤A，根据双层铝合金加筋型材的结构和变形特点，列写铝合金型材的等效刚度矩阵双层铝合金加筋型材的厚度远小于型材的长度和宽度，因此双层铝合金加筋型材上、下面板和筋板厚度方向的应力可以忽略不计，可以简化成板壳结构进行研究，同时铝合金型材上、下面板和筋板厚度远小于两面板的间距，因此型材局部弯曲刚度远小于整体弯曲刚度，其引起的弯矩可忽略，根据板壳理论，铝合金型材在拉压、弯曲和扭转作用下的变形方程可表示为: ...

【技术保护点】
一种双层铝合金加筋型材的结构等效方法，其特征在于，该方法包括：步骤A，根据双层铝合金加筋型材的结构和变形特点，列写双层铝合金加筋型材的等效刚度矩阵；双层铝合金加筋型材的厚度远小于其长度和宽度，因此上、下面板和筋板厚度方向的应力可忽略不计，可将其简化成板壳来研究，同时铝合金型材上、下面板和筋板厚度远小于两面板的间距，即型材局部弯曲刚度远小于整体刚度，其引起的弯矩可忽略，根据板壳理论，铝合金型材在拉压、弯曲和扭转作用下的变形方程可表示为:其中，N11、N22分别为铝合金型材横向和纵向的正应力，N12为铝合金型材的切应力，M11、M22分别为铝合金型材横向和纵向的弯矩，M12为铝合金型材的扭矩，ε11、ε22分别为铝合金型材的横向和纵向的正应变，ε12为铝合金型材的切应变，κ11、κ22分别为铝合金型材横向和纵向的曲率变量，κ12为板壳中性面的扭转曲率变量，D为铝合金型材的等效刚度矩阵,K1111为铝合金型材的横向刚度系数，K2222为纵向刚度系数，K1122为横向对纵向刚度的耦合系数，K2211为纵向对横向刚度的耦合系数，D1111为横向弯曲刚度系数，D2222为纵向弯曲刚度系数，D1122为横向对纵向弯曲刚度的耦合系数，D2211为纵向对横向弯曲刚度的耦合系数，D1212为扭转刚度系数；步骤B，根据板壳理论和弹性力学，求出铝合金型材等效刚度矩阵中的每一个元素；步骤C，设计一种各向异性薄板，使该薄板的长度等于双层铝合金加筋型材的长度，宽度等于型材的宽度，厚度等于型材的厚度，面密度等于型材的等效密度，刚度等于型材的等效刚度，那么该薄板的整体力学性能和双层铝合金加筋型材的整体力学性能等效，在数值计算中就可用该薄板来代替双层铝合金加筋型材，从而大幅消减计算规模。...

【技术特征摘要】
1.一种双层铝合金加筋型材的结构等效方法，其特征在于，该方法包括：步骤A，根据双层铝合金加筋型材的结构和变形特点，列写双层铝合金加筋型材的等效刚度矩阵；双层铝合金加筋型材的厚度远小于其长度和宽度，因此上、下面板和筋板厚度方向的应力可忽略不计，可将其简化成板壳来研究，同时铝合金型材上、下面板和筋板厚度远小于两面板的间距，即型材局部弯曲刚度远小于整体刚度，其引起的弯矩可忽略，根据板壳理论，铝合金型材在拉压、弯曲和扭转作用下的变形方程可表示为:其中，N11、N22分别为铝合金型材横向和纵向的正应力，N12为铝合金型材的切应力，M11、M22分别为铝合金型材横向和纵向的弯矩，M12为铝合金型材的扭矩，ε11、ε22分别为铝合金型材的横向和纵向的正应变，ε12为铝合金型材的切应变，κ11、κ22分别为铝合金型材横向和纵向的曲率变量，κ12为板壳中性面的扭转曲率变量，D为铝合金型材的等效刚度矩阵,K1111为铝合金型材的横向刚度系数，K2222为纵向刚度系数，K1122为横向对纵向刚度的耦合系数，K2211为纵向对横向刚度的耦合系数，D1111为横向弯曲刚度系数，D2222为纵向弯曲刚度系数，D1122为横向对纵向弯曲刚度的耦合系数，D2211为纵向对横向弯曲刚度的耦合系数，D1212为扭转刚度系数；步骤B，根据板壳理论和弹性力学，求出铝合金型材等效刚度矩阵中的每一个元素；步骤C，设计一种各向异性薄板，使该薄板的长度等于双层铝合金加筋型材的长度，宽度等于型材的宽度，厚度等于型材的厚度，面密度等于型材的等效密度，刚度等于型材的等效刚度，那么该薄板的整体力学性能和双层铝合金加筋型材的整体力学性能等效，在数值计算中就可用该薄板来代替双层铝合金加筋型材，从而大幅消减计算规模。2.根据权利要求1所述的一种双层铝合金加筋型材的结构等效方法，其特征在于:在所述步骤B中，所述的双层铝合金加筋型材等效刚度矩阵中的未知元素需根据力与变形的特点，分别设计求解方案，其中：K1111的求解方法为：在型材半单元的x方向上，使其一端固定，另一端产生拉伸变形u，若在固定端产生的反力为Fx，根据力与变形的关系，可求得刚度系数K1111：其中，E为铝合金型材的弹性模量，v为泊松比，t1为上面板厚度，t2为筋板厚...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖友刚，孙亮，郑长毅，廖彦，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43