PATRAN中复合材料结构应变读取方式研究

金晖

【摘 要】本文介绍了以不同的方式读取PATRAN中复合材料结构的单向应变和主应变，比较了两种方式读取工作应变的差异，阐述了差异产生的原因，指明复合材料结构在应变分析中需要根据不同的应变分析要求读取工作应变。

【关键词】复合材料；单向应变；主应变；工作应变；许用应变

0 引言

复合材料由于密度小、比强度和比模量高、抗疲劳性能优越、性能可设计和易于整体成形的优异特性，自20世纪60年代诞生起就显示了强大的生命力。复合材料设计与制造技术的发展和成熟，推动了其在民用飞机中的广泛应用。近年来，低成本、高性能的复合材料结构越来越多的应用到民用飞机上。如空客A350和波音787飞机上都采用了大量的复合材料。

1 复合材料结构应变校核

复合材料结构广泛应用的背后，隐藏的是复合材料结构的设计和制造。其中复合材料设计的优劣需要通过强度分析结合验证试验来完成适航验证。

对于复合材料结构的强度分析来说，首当其冲的就是应变分析。复合材料结构通过设计许用值试验，获取复合材料结构的拉伸、压缩和剪切性能的许用应变。再通过PATRAN软件建立复合材料结构的有限元模型，运用NASTRAN软件计算出内力解，获取对应复合材料结构的工作应变，通过公式（1）进行应变强度分析，获取结构应变安全裕度。

需要注意的是，在应变分析中，工作应变采用单向应变还是主应变需要根据强度计算原则顶层文件来选取。通常选择主应变进行应变分析更加保守。

2 PATRAN中的主应变读取

在复合材料结构内力计算过程中，可以选择按照单层输出内力结果，也可以选择按照层板输出内力结果。通常按照复合材料层板输出内力结果，得到的是上下面板的内力结果，如图1所示。

以复合材料单元5444246和5430452为例，采用两种方式读取的复合材料主应变分别如图2和图3所示。

通过比较可以发现，单元5444246两种方式读取的主应变各不相同，单元5430452两种方式读取的主应变完全相同。这是因为Fringe方式是将上下面板分别计算得到的主应变平均后作为层板的主应变，而Tensor方式是先通过上下面板平均后得到层板的单向应变，再计算得出层板的主应变。

对于上下面板单向应变方向相同的单元，这两种方式读取的结果相同；但对于上下面板单向应变方向相反的单元，这两种方式读取的结果就完全不同。这是因为上下面板单向应变方向相反时，表示复合材料层板承受弯曲，弯曲引起了偏心影响。因此，采用单向应变进行复合材料应变分析时，两种方式都可以。倘若采用主应变进行复合材料应变分析，建议采用第二种方式读取单元应变，避免由于弯曲引起的偏心影响。

3 总结与展望

本文对PATRAN中复合材料结构应变的读取方式进行了介绍，指出了采用两种方式读取复合材料应变的差异，并对差异产生的原因进行了阐述。在复合材料应变分析过程中，可以采用單向应变和主应变进行强度分析。通常采用主应变方式进行复合材料应变分析更加保守，这时需要合理选取复合材料应变的读取方式，保证强度分析结果的准确性。

近年来，波音、空客等飞机制造商采用单向应变和复合应变相结合的方式进行复合材料的强度分析，即在满足单向应变的前提下还要满足复合应变的强度分析。具体采用双向复合应变还是三向复合应变进行强度分析，需要根据具体飞机型号强度计算原则来执行。

【参考文献】

[1]杨乃宾，梁伟.大飞机复合材料结构设计导论[M].北京：航空工业出版社，2009.

[2]益小苏.航空复合材料科学与技术[M].北京：航空工业出版社，2013.

[3]刘鸿文.材料力学（第三版） 上册[M].北京：高等教育出版社，2002.

[责任编辑：朱丽娜]