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网壳结构复合材料层合板的强度分析

发布于:2016-09-29 20:49
强度分析

      板锥网壳结构是指用板片组成锥体单元,按网壳结构的曲面形状将锥体单元拼接成整体,各锥顶再用杆件有规律地相互连接所形成的一种新型结构形式,如图所示。板锥网壳结构受力性能合理,可充分进行板材的强度分析和刚度分析,才能发挥材料的最大效用,同时集承重、围护、装饰为一体,轻质高强,具有良好的经济效益,并且具有鲜明的建筑视觉效果。
      网壳得到了广泛的应用,由于复合材料板材轻质、高强气比强度比普通钢材高很多,具有强度和弹性性能的可设计性,特别适合应用于板锥网壳结构的预制锥体单元。文献对玻璃钢板材在板锥网壳结构中的应用进行了初步研究,只是对板锥网壳结构进行整体分析,没有对组成锥体单元的复合材料板件自身的一系列力知识题进行研究,材料设计和结构设计没有同时进行。但是复合材料具有各向异性、不均匀性、低层间剪切模量和低层间剪切抗拉强度、几何非线性和物理非线性等一系列力学特点,它的力知识题比均匀、连续、线弹性和各向同性的材料复杂得多,因此需要对复合材料板的受力特性及其它一系列问题作全面和深入的研究。
      在复合材料板锥网壳结构中,局部屈曲是主要设计控制因素。通过对复合材料层合板首层材料强度破坏和末层材料强度破坏的比较,发现两者载荷强度间隔过大,不利于充分发挥复合材料的潜力和优点,有必要进行层合板合理的铺层设计,所以在复合材料板锥网壳结构中,强度也是主要设计控制因素之一。本研究结合复合材料力学理论和复合材料结构力学板壳理论,采用ANSYSApp先求出板锥网壳结构单层板弹性主方向的应力,然后通过Hoffman理论得到各载荷步下的每层失效值,判断层合板首层材料破坏时的载荷破坏强度和末层破坏时的载荷沫层破坏强度,对复合材料层合板自身的强度和主要影响因素进行全面和深入的研究,为复合材料板锥网壳结构设计和层合板铺层设计提供理论上的依据。
      对于复合材料板锥网壳结构,本研究只考虑采用上弦杆的锥顶节点为铰接,底面节点为刚接的计算模型。在ANSYS分析模型中,杆件单元取2节点6自由度的空间杆单元Link8。对于三角形板的单元类型,采用4节点有限应变壳单元Shell181,每节点6自由度。复合材料建模的难点是如何准确模拟层合板铺层设计,在ANSYS有限元分析App中,材料的坐标系是确定材料属性方向的坐标系,由单元的坐标唯一确定,要确定材料坐标,只要确定单元坐标就可以,复合材料Shell单元默认的单元坐标是以边为基础的坐标系。在进行复合材料结构建模时,有时候结构几何比较复杂,很难用统一的坐标来确定单元坐标系,板锥网壳结构的层合板都是三角形,直接划分单元,很难统一单元坐标系,故板单元采用4节点的Shell181,并利用直接创建节点和单元的建模方式,来控制单元坐标系,这为能够准确模拟复合材料层合板铺层设计奠定了基础。
      在复合材料层合板分析中,各个单层材料的材料性质、纤维方向、厚度等各不相同,至少各层的纤维方向是不同的,因此各个单层对外应力的抵抗能力也是各不相同的。复合材料层合板在一定的外载作用下,一般说不可能各层同时发生破坏,而应该是各层逐步被破坏,所以说复合材料层合板的破坏过程是从材料首层破坏到末层的过程。本研究采用ANSYSApp首先计算出层合板各层板沿参考轴弹元坐标系的应力,由于层合板各层铺设角不同,计算出的各层应力并不一定沿弹性主方向,为了进行强度分析,尚需利用其转化为沿该层单层板弹性主方向的应力,然后按Hoffman强度准则计算各层板的强度。采用ANSYSApp再对结构进行非线性分步加载静力分析,同样是上述的方法,求出单层板弹性主方向的应力,通过Hoffman理论得到各载荷步上的每层失效值,判断层合板首层破坏时的载荷层破坏强度环口,末层破坏时的载荷。在工程设计中一般认为首层破坏强度作为最终强度,而且本结构分析时并没有考虑层合板刚度退化,即层合板中某一层失效后,层合板发生变化,但是本研究还是求出材料的末层破坏强度,因为对于复合材料层合板来说,层合板的末层破坏强度往往要比首层破坏强度高很多,需要利用末层破坏强度来观察首层材料破坏和末层材料破坏强度的间隔,以判断层合板铺层设计是否合理,以便充分发挥复合材料应有的潜力。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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