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材料非线性有限元在飞机结构上的应用

2015/1/23    来源:ANSYS    作者:喻琴  杨衎  顾卫平  李刚      
关键字:弹塑性  结构非线性  材料非线性  
按照线性理论分析飞机某些零部件,很多结构会失效。本文分别按照材料线性和非线性有限元理论对某飞机接头组件进行分析,从而改进该接头的设计。该方法也可以推广运用到其它飞机结构的非线性设计。

引言

    对于飞机结构,经常会遇到结构非线性。引起结构非线性的原因很多,它们可以被分为三种类型:接触(状态)非线性、几何非线性、材料非线性。非线性的应力-应变关系是结构非线性中的常见现象。按照线性理论分析飞机某些零部件,很多结构会失效,然而这与实际情况不符,很多结论过于保守,文章分别按照材料线性和非线性有限元理论对某飞机零组件接头进行分析,比较其差别。

1 材料的塑性非线性计算理论

1.1弹塑性

    从金属的观点来说,弹性变形是由于拉伸而不是破坏原子间的化学键,因此可以完全恢复,且弹性应变应该较小。塑性变形是由于剪应力(偏移应力)所造成的原子平面的滑动而引起的,这种错位移动本质上是原子在晶体结构重新排列,卸载后会造成不可恢复的应变或永久变形。如图1所示,这是一个典型的非线性应力应变关系图,当应力超出其屈服极限时,金属就进入塑性阶段。

图1 典型的非线性应力应变关系图

图1 典型的非线性应力应变关系图

1.2真实应力应变

    工程应力-应变可以用于小应变分析,而塑性分析必须使用真实的应力-应变,因为它们更能代表材料的状态.可以采用以下的近似方法来将工程应力-应变数据转换为真实的应力-应变值。

    弹性阶段:σ=σeng,ε=εeng

    塑性阶段:σ=σeng(1+εeng),ε=ln(1+εeng)

    其中,εeng、σeng分别为工程应力、应变,ε、σ分别为真实应力、应变。

1.3屈服准则

    屈服准则是一个可以用来与单轴测试屈服应力相比较的应力状态的标量。对于单向受拉试件,可以通过简单的比较轴向应力与材料的屈服应力来判断是否发生塑性变形。实际结构通常呈现多轴应力状态。von Mises屈服准则是一个常用的屈服准则,von Mises等效应力定义如公式一。

公式一 von Mises等效应力计算公式

公式一 von Mises等效应力计算公式

    当等效应力超过材料的屈服应力时,将会发生塑性变形。

1.4应力-应变的曲线表示

    在有限元计算中,通常用双线性和多线性来模拟材料的非线性。两种不同类型的曲线如图2所示。

图2 两种应力-应变曲线

图2 两种应力-应变曲线

责任编辑:吴星星
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