某型座椅复合材料椅盆虚实仿真

韩圆珍

航宇救生装备有限公司，湖北 襄阳 441003

某型座椅复合材料椅盆虚实仿真

韩圆珍

航宇救生装备有限公司，湖北 襄阳 441003

应用复合材料层合板理论结合工程简化方法对某型座椅复合材料椅盆进行仿真分析，研究其最先一层失效强度，并通过静力试验验证理论分析与试验结果的一致性。

复合材料；椅盆；虚实仿真

随着航空工业的发展，人们对航空器的要求越来越高。为了增强市场竞争力，需要不断提高航空器的性能，设法减轻结构重量，并提高结构的可靠性、维修性。在这种迫切的需求下，复合材料的出现日益显示出其得天独厚的优势和无穷的潜力。目前，复合材料在航空结构中的应用已逐渐从次结构过渡到了主结构，并进入主承力结构的设计。基础的复合材料理论为复合材料的应用提供了理论依据，在此基础上，基于有限元理论而编制的各种强度计算软件近年来在复合材料的应用中显示出强大的支持力。采用有限元计算程序，结合与理论分析相比拟的工程简化方法能对结构强度作简便、快捷的评估，用于指导结构的初步设计。本文采用MSC.NASTRAN大型通用有限元计算软件对某型座椅的复合材料层合板椅盆进行力学仿真并进行试验验证。

一、复合材料层合板的强度分析方法

(一)层合板的内力

层合板的内力与金属材料有很大的不同，由于各单层铺设方向不同，应变沿厚度是连续变化的，但应力在各层之间可能差别很大，因而破坏过程一般是一层一层进行的，一个层(或层组)破坏后将引起层合板的整体刚度下降，各层(或层组)应力重分配，原来破坏层的应力将由其它各单层承担，这样一直下去，直至全部单层板破坏，最终引起复合层板的总体破坏。

(二)层合板的应力应变分析和强度计算

层合板在外力作用下会产生拉剪变形或拉弯扭组合变形，由此可计算板的面内应变或中面应变和曲率，进而计算各单层的应变和应力。它们是进行强度计算的基础。层合板的强度计算是以单层板为基本单元的宏观分析方法，并以单层板的强度作为已知条件。本文采用最先一层失效强度理论来校核层合板的强度。

二、复合材料椅盆的强度计算

(一)复合材料椅盆的有限元建模

将椅盆CAD三维模型导入有限元分析软件PATRAN。在不影响重点考核区域强度的前提下，对原结构中的圆角进行适度简化。在椅盆两侧侧板划分对称网格以保证计算结果的准确性。全结构划分为422个四边形单元，共469个结点。

(二)载荷及边界条件

根据以往的研制经验，选取受力最严重的向前载荷状态进行计算，该载荷由椅盆支承力及腰带、肩带的约束力平衡。

椅盆背部有上下两对的滑套与骨架的主杆相连，椅盆上装有安全带接头、滑动组件接头、惯性卷筒和升降机构。在椅盆与其他组件的连接处施加约束。

(三)材料

1.单层板的性能

E1=135000MPa E2=8800MPa μ12=0.33 G12=4500MPa

2.层合板

层合板的铺层为0°/45°/-45°组合铺层，共26个单层，为对称结构，单层厚度0.125mm。

(四)单元属性

由于复合材料是各向异性的，所以当结构的方向有变化时，就要使用局部坐标系，使材料的性能与结构的方向保持一致。椅盆的顶部、靠背、座面、侧板的上部和下部材料方向均不同，因此选择相应的材料坐标系，分别定义单元属性，具体见图1。

三、计算结果

(一)应力及位移

篇幅所限，椅盆位移图及铺层1的应力图见图2-图3。

图1 材料坐标系 图2 椅盆位移图

铺层1的σ1应力图 铺层1的σ2应力图 铺层1的τ12应力图

(二)最先一层失效强度

根据强度比理论及蔡—希尔强度理论，相应的判别式为

R>1 表明安全，其值为安全裕度

R=1 表明破坏或失效

R<1 无实际意义

其中X=1548 MPa Y=55.5 MPa S=89.9 MPa

1-13铺层的σ1、σ2、τ12及R数值见表1。

表1 1-13铺层的σ1、σ2、τ12及R值

(三)对计算结果的分析

所有铺层的R值均大于1.5，表明层合板整体安全，有足够的安全裕度。其中，第1层也就是最外层的R值最小，说明如果继续加大载荷，该层将最先失效。由于其σ1远大于其他应力，因此是因纵向拉裂而失效。

四、试验验证

座椅的静力试验共进行了5个方向(向上、向后、向下、向前、侧向)的限制载荷及极限载荷试验。向前状态试验完毕后测得椅背顶部中点位移为52mm，计算结果显示该处位移为47mm，误差为9.6%。

各状态限制载荷试验后，试验件各项调节功能没有受到影响，结构没有产生有害的变形：最大变形位于靠背和座面，不会妨碍飞机的正常操纵。

各状态极限载荷试验后，试验件没有出现总体破坏，也没有出现永久变形。

五、结论

有限元计算结果显示椅盆的位移主要集中在座板和靠背顶部，其他位置位移很小。计算结果与试验结果相一致，说明复合材料椅盆的强度分析以层合板建模是合理的，结果是准确可靠的。根据复合材料结构静强度、刚度设计要求及该座椅的设计规范，该椅盆完全满足要求。

[1]张志民.复合材料结构力学.北京航空航天大学出版社，1993.

[2]马爱军，周传月，王旭.Patran和Nastran有限元分析专业教程.清华大学出版社，2005.

[3]杨乃宾.复合材料飞机结构设计.航空工业出版社，2002.

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