用三角形格腔加强的各向同性材料面板的结构分析方法技术

本发明专利技术提出确定由三角形格腔加强的面板尺寸的方法，其考虑航空特殊性、更具体地针对不同类型的弯曲和合适的储备系数的计算而考虑应力容量。该方法涉及利用分析方法，确定由同质且各向同性的材料组成的基本平直的面板尺寸的方法，面板由嵌入面板中的三束平行加强筋组件(称为“网格”)增强的蒙皮构成，这组加强筋在蒙皮上确定的格腔为三角形，加强筋为刀片状，加强面板必须符合对预定外部载荷的机械抗力规范，该方法包括被安排成对不同输入数据值迭代地重复进行直至获得储备系数的多个步骤，储备系数允许确定面板各组件的尺寸和布置以获得指定机械抗力。本发明专利技术具有若干优点，其中一个优点是允许安装如此获得的面板，以代替先前实现的面板。

【技术实现步骤摘要】
本申请是2010年9月13日提交的申请号为PCT/FR2010/051900，标题为“由各向同性材料组成并用三角形格腔加强的面板的结构分析方法”的专利申请的分案申请。
本专利技术涉及结构领域。本专利技术尤其涉及加强面板式结构，更具体地说，涉及用加强筋增强的这种面板。本专利技术涉及计算承受复合载荷的这种结构的抵抗力。
技术介绍
薄的加强结构占商用飞机的主要结构中的很大部分。通常用加强筋增强面板，所述加强筋相互垂直，在面板的蒙皮上限定矩形区域，所述矩形区域受加强筋限制，并被称为格腔。飞机的结构因此由加强筋和蒙皮的构架构成：-纵向加强筋(通常称为纵梁)：它们沿着载荷的主方向，提供对结构的支持。-横向加强筋(通常称为“框架”或“肋条”)：它们的主要功能是提供对纵梁的支持。-面板(通常称为蒙皮)：通常，它通常承接平面(表层)中的加载。纵梁和桁条被设定成彼此成90°，在蒙皮上限定矩形格腔。然而，在二十世纪五十年代和六十年代，对于宇宙飞行器结构，NASA提出一种称为“等栅格(Isogrid)”的加强结构的新原理(参见图1)。因而这种加强结构由具有网状加强筋的增强蒙皮构成，加强筋之间被设定成Θ°(在NASA设想的结构中，Θ＝60°)。加强筋为刀片形状，并被嵌入面板中。由于其几何形状，这种结构具有正交各向异性的性质(当Θ＝60°时，各向同性)，在蒙皮上形成的格腔为三角形。在下面的说明中，术语用三角形格腔加强的结构，或者用三角形格腔加强的面板用于定义由形成三角形格腔的交叉加强筋增强的结构或面板。文献中可获得的用于计算用三角形格腔加强的这种结构的抵抗力和稳定性的数据有限。用三角形格腔加强的面板的现有计算方法的状态在NASA合同报告“‘Isogrid’design handbook”(NASA-CR-124075,02/1973)中说明了用等边三角形格腔加强的面板的分析计算方法。该方法在文献中得到充分证明，但该方法存在一些严重的局限：仅仅使用等边三角形：角度＝60°，计算施加的应力，但不计算应力容量，材料的泊松系数仅仅等于1/3。该现有方法存在许多局限，没有考虑在飞机结构上存在的所有问题，尤其是涉及边界条件和塑性的问题。因此，现有方法不能可靠地用于由三角形格腔加强的面板的结构的分析计算。
技术实现思路
为了进行由三角形格腔加强的面板的结构分析，根据复合板的理论，并且考虑到复合板的具体失效模式，提出一种结构分析方法。所述方法适用于由具有各向同性性质的材料制成的平直面板。这里说明的方法设想加强筋之间的底角(在“Isogrid”结构中，为60°)的改变。这意味不再保证面板的各向同性性质。为此，本专利技术涉及一种利用分析方法，确定由同质并且各向同性的材料组成的基本平直的面板的尺寸的方法，所述面板由嵌入到面板中的三束平行加强筋组件(称为“网格”)增强的蒙皮构成，这组加强筋在蒙皮上确定的格腔为三角形，加强筋为刀片状，加强的面板必须符合对预定外部载荷的机械抗力的规范，各束加强筋之间的角度允许三角形格腔具有任意类型的等腰形状。按照一种有利的实现方式，所述方法包括以下步骤：步骤2-根据加强的面板的几何形状，和假定位于面板的平面中并施加在(面板的)截面的重心处的外部载荷，计算施加在蒙皮和加强筋中的应力，以及蒙皮中的流变和加强筋中的载荷，其中用两个正交各向异性板的组合件表示加强的面板，用等效面板表示加强筋的网格。步骤3-计算加强的面板的内部载荷，步骤4-抗力分析，包括在有限载荷和极限载荷下，计算材料的储备系数，步骤5-计算局部应力容量优选地，所述方法：通过每种加强筋(0°，+θ或者-θ)的有效直线段的定义，考虑由加强筋的后期屈服引起的施加应力在面板和加强筋的网格之间的重新分布，其中用A0°st，A+θst和A-θst表示加强筋的后期屈服，通过计算面板的有效厚度ts_eff，考虑由格腔的后期屈服引起的施加应力在面板和加强筋的网格之间的重新分布，通过利用兰贝格-奥斯古德(Ramberg-Osgood)定律，对材料的各种特性(尤其是杨氏模量和泊松系数)迭代处理，考虑由施加的外部载荷的塑性引起的施加应力在面板和加强筋的网格之间的重新分布，其中对加强筋的E0°st,E+θst,E-θst和蒙皮的Exs,Eys和νepst进行迭代处理。根据按照本专利技术的方法的一种优选实现模式，所述方法包括利用塑性应力的迭代计算方法修正施加的载荷，从而考虑塑性的步骤，所述迭代方法一直执行到在处理开始时输入的材料的5个参数(E0°st,E+θst,E-θst,Eskin,νep)显然等于在塑性应力的计算之后获得的相同参数为止。按照一种有利的实现方式，所述方法包括分析抗力的步骤4，它包括比较加强的面板组件中的计算的施加载荷和材料的最大应力容量，来实现包含在有限荷载和极限载荷下对材料的储备系数进行计算的抗力分析，其中修正所施加的载荷以考虑加强的面板的塑性。按照一种有利的实现方式，所述方法包括计算局部应力容量的步骤5，它包括计算等腰三角形格腔的屈服流变容量和储备系数的子步骤5A，就储备系数的计算来说，要考虑的施加应力仅仅是影响蒙皮的应力，所使用的外部流变是不对应于加强面板被完全加载时的蒙皮流变。这种情况下，计算等腰三角形格腔的屈服流变容量和储备系数的子步骤5A最好包括两个子步骤：首先，利用有限元方法，计算承受简单载荷情况(与平面中的两个方向相应的压缩，剪切载荷)的平板的容量值，随后计算这些简单载荷情况之间的互作用曲线。更准确地说，计算容量值包括以下子步骤：·创建三角形板的FEM参数模型，·测试各种不同组合，以获得屈服结果，·获得与解析多项式相容的参数。在一种特殊的实现模式中，在简单载荷的情况下，用以下子步骤定义互作用曲线：-创建具有不同等腰角的多个三角形板的有限元模型，等腰角(θ)被定义为等腰三角形的底角，-对于每个等腰角：1/利用有限元模型进行计算，以确定各种板厚的褶皱的流变容量(无塑性修正)。2/按照比(D是平板刚性，h是三角形的高度)，跟踪屈服容量的流变曲线，利用按照该比例的二阶等式，对的较小值确定所述曲线，所述二阶等式中的系数K1和K2取决于角度和所考虑的载荷情况，3/按照等腰三角形的底角，跟踪多项式等式的系数K1和K2的演变，这些系数是按照所考虑的三角形板的角度跟踪的，并且进行插值，以确定无论什么等腰角，都使得能够计算这些常数的多项式等式。同样，在计算等腰三角形格腔的屈服流变容量和储备系数的情况下，按照一种有利的方式，在复合加载的情况下，使用以下假定：如果复合载荷的某些分量为拉伸分量，则计算不考虑这些分量，互作用曲线由以下子步骤定义：-创建具有不同等腰角的多个三角形板的有限元模型，等腰角(θ)被定义为等腰三角形的底角，-对于每个等腰角：1/利用有限元模型(FEM)进行计算，以确定与外部载荷的各种分布对应的流变的本征值。2/对于每个角度和载荷的每种组合，跟踪互作用曲线，随后用覆盖所有这些组合的如下的唯一等式近似这些曲线：RcXA+RcYB+RsC＝1，其中A、B、C是经验系数，(其中Ri代表载荷比率，Niapp和Nicrit代表施加的流变和临界流变(i＝cX,cY或s)对应于沿轴X和Y的压缩的情况，以及剪切载荷的情况)。有利的是，所述方法还包括通过求解以下等式，计算本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用分析方法，确定由同质并且各向同性的材料组成的基本平直的面板的尺寸的方法，所述面板由嵌入到所述面板中的三束平行加强筋组件增强的蒙皮构成，嵌入到所述面板中的三束平行加强筋组件为网格，所述加强筋组在蒙皮上确定的格腔为三角形，加强筋为刀片状，加强的面板必须符合对预定外部载荷的机械抗力的规范，其特征在于所述方法包括以下步骤：‑获取与所述面板的几何形状、材料和施加于该面板的载荷有关的输入数据的值的第一获取步骤；‑根据由三角形隔腔加强的所述面板的几何形状和所施加的外部载荷，计算施加于所述面板的蒙皮和所述加强筋的应力的第二步骤；‑计算在加强的所述面板的不同组件中所引发的内部载荷的第三步骤；‑分析抗力的第四步骤，分析抗力包括在有限载荷和极限载荷下计算所述材料的储备系数；‑计算所述面板的局部应力容量的第五步骤，其包括计算最大应力下的储备系数(RF)；‑计算所述面板的总体不稳定性的第六步骤，其包括计算平直的加强面板在简单载荷或复合载荷条件下的储备系数；所述第四步骤至所述第六步骤是根据所述第三步骤的结果以独立的方式被执行的，所述方法的各步骤被安排成针对不同的输入数据的值而迭代地重复进行，直到获得使得能够确定所述面板的各组件的、允许获得所要求的机械抗力的尺寸和布置的储备系数。...

【技术特征摘要】
2009.09.14 FR 09562861.一种利用分析方法，确定由同质并且各向同性的材料组成的基本平直的面板的尺寸的方法，所述面板由嵌入到所述面板中的三束平行加强筋组件增强的蒙皮构成，嵌入到所述面板中的三束平行加强筋组件为网格，所述加强筋组在蒙皮上确定的格腔为三角形，加强筋为刀片状，加强的面板必须符合对预定外部载荷的机械抗力的规范，其特征在于所述方法包括以下步骤：-获取与所述面板的几何形状、材料和施加于该面板的载荷有关的输入数据的值的第一获取步骤；-根据由三角形隔腔加强的所述面板的几何形状和所施加的外部载荷，计算施加于所述面板的蒙皮和所述加强筋的应力的第二步骤；-计算在加强的所述面板的不同组件中所引发的内部载荷的第三步骤；-分析抗力的第四步骤，分析抗力包括在有限载荷和极限载荷下计算所述材料的储备系数；-计算所述面板的局部应力容量的第五步骤，其包括计算最大应力下的储备系数(RF)；-计算所述面板的总体不稳定性的第六步骤，其包括计算平直的加强面板在简单载荷或复合载荷条件下的储备系数；所述第四步骤至所述第六步骤是根据所述第三步骤的结果以独立的方式被执行的，所述方法的各步骤被安排成针对不同的输入数据的值而迭代地重复进行，直到获得使得能够确定所述面板的各组件的、允许获得所要求的机械抗力的尺寸和布置的储备系数。2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，第一获取步骤中的所述输入数据包括与材料、所述面板的尺寸、所述加强筋的直线段、腹板的尺寸、所述面板的恒定厚度以及所述面板的有限载荷有关的机械参数。3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第三步骤实现利用塑性应力的迭代计算方法对施加的载荷的修正，以将塑性考虑在内，所述迭代计算方法一直执行到在所述第一步骤中所获取的材料的5个参数在迭代期间变化的值小于预定阈值为止，所述5个参数为所述加强筋的分别对于角度0°，+θ或-θ的杨氏模量和所述蒙皮的杨氏模量和弹-塑性泊松系数。4.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述第五步骤包括计算等腰三角形格腔的屈服流变容量和储备系数的步骤5A，为计算储备系数而考虑的施加应力仅仅是影响蒙皮的应力，使用的外部流变是不对应于加强面板的完全载荷的蒙皮流变。5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤5A包括如下两个子步骤：利用有限元方法计算承受简单载荷情况的三角形板的流变容量，其中，所述简单载荷情况包括按照所述面板的水...

【专利技术属性】
技术研发人员：格拉尔德·库杜昂特，保罗·梅西纳，
申请(专利权)人：空中客车运营简化股份公司，
类型：发明
国别省市：法国;FR