基于SiPESC的复合材料结构分析及强度校核研发

摘要

复合材料由于其比刚度和比强度大于常用的金属材料、优良的可设计性和成本低廉等特点，目前广泛的用于航空航天、机械等工程领域。随着应用的逐渐增多，对复合材料的力学分析成为一个重要的话题。 有限单元法作为目前理论发展最为成熟、可靠性较高的一种数值方法，被广泛的应用于结构工程领域当中。由此诞生一些功能完备、又各具特色的有限元软件，如Ansys、Nastran等。这些有限元软件目前均包含了较为完整的与复合材料相关的静力、动力、失稳和失效强度校核等功能。为提高和完善国产自主有限元软件SiPESC复合材料板壳结构分析能力，本文基于SiPESC.FEMS开放式有限元分析框架，完成了以下研发工作： （1）作为复合材料单元的基础，研发了两种四节点具有旋转自由度的非协调膜单元、两种带有旋转自由度的三节点膜单元和基于一阶剪切理论的三节点和四节点板单元，并通过膜和板单元组合成四种不同形式的壳单元。其中采用了一些板壳结构单元有限元处理关键技术，包括非协调技术解决了膜单元面内自锁；混合插值的单元技术用以解决板单元的横向剪切自锁及四节点壳单元翘曲等难点问题；通过添加小量和Allman两种形式的平面内旋转自由度，使SiPESC可以分析大规模复杂的梁板壳结构组合问题。 （2）基于上述研发的通用板壳单元，研发了三节点和四节点的层合板复合材料单元。通过采用多种复合材料单元处理技术，包括横向剪切应变能相等原理计算层合板本构矩阵的横向剪切系数，能够计算对称、非对称、偏置等不同铺层铺设方式的本构矩阵；纯弯曲假设修正了横向剪切应力，弥补一阶剪切理论横向剪切应力为常数的缺点，提高应力的计算精度，为失效计算做铺垫。 （3）研发了复合材料结构的自振和屈曲稳定性分析功能，提供复合材料单元质量阵和应力刚度阵计算，基于此可以进一步扩展复合材料结构的频响、随机振动等动力问题和考虑预应力的实际问题的分析能力，并提供了一些商业软件所无法提供的计算数据，如应力刚度阵提取等，为结构拓扑优化设计等工作提供技术支撑，体现了国产软件自主可控的开放性。 （4）构建了复合材料强度失效校核框架，研发了三维应力的蔡吴准则和最大应力准则的失效校核模块。为考虑满足不同用户的需求和实际工程的多样性，构建了用户可以通过二次开发进行自定义失效准则的框架，提高SiPESC复合材料失效校核模块实用性和通用性。并提供复合材料铺层应力、失效系数等后处理可视化功能，便于查看铺层的计算结果。 本文通过一系列实际工程板壳、复合材料算例测试与目前通用商业软件比对，所研发的计算功能均取得了与商业软件相一致的计算结果，证明了本文程序的正确性。

目录

声明

1 绪论

1.1 工程中复合材料板壳结构

1.2 复合材料失效简介

1.3 复合材料板壳结构单元的发展

1.4 SiPESC平台简介

1.5 本文主要内容

2 基于SiPESC板壳结构单元研发

2.1 具有旋转自由度的非协调膜单元

2.1.1 平面内旋转自由度处理技术

2.1.2 平面内非协调处理技术

2.2 基于Mindlin理论的板单元

2.2.1 MITC单元构造理论

2.2.2 空间四节点板单元翘曲问题

2.3 SiPESC板壳结构单元计算框架

2.4 单元测试算例

2.4.1 不规则梁纯弯曲

2.4.2 CRM机翼静力分析

2.4.3 正交各向异性材料变厚度机翼问题

2.5 本章小结

3 基于SiPESC复合材料板壳单元研发

3.1 层合板单元本构矩阵及应力修正

3.1.1 弹性矩阵计算

3.1.2 Mindlin横向剪切应力修正

3.1.3 材料空间坐标转换

3.2 SiPESC复合材料单元计算框架

3.3 测试算例

3.3.1 某火箭结构畸形网格测试

3.4 本章小结

4 复合材料板壳结构振动及屈曲模块研发

4.1 自振分析与屈曲稳定性分析简介

4.1.1 自振分析简介

4.1.2 屈曲稳定性分析简介

4.2 自振及屈曲问题计算框架设计

4.2.1 自振程序设计

4.2.2 屈曲程序设计

4.3 测试算例

4.3.1 各向同性板壳自振

4.3.2 各向同性材料梁壳组合结构屈曲

4.3.3 层合板单元自振

4.3.4 层合板单元屈曲

4.4 本章小结

5 失效强度校核模块及二次研发框架构建

5.1 复合材料失效准则简介

5.2 复合材料失效程序设计

5.2.1 失效准则计算框架设计

5.2.2 计算功能类程序设计

5.2.3 多工况与用户二次研发接口支持

5.3 失效参数输入输出格式及可视化处理

5.3.1 输入格式说明

5.3.2 输出格式说明

5.3.3 后处理可视化功能

5.4 相关算例

5.4.1 层合板失效计算测试算例

5.5 本章小结

结论

参考文献

附录A 复合材料自定义强度准则二次开发实例

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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