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弗吉尼亚理工学院创新 IGA 技术推进复合材料飞机蒙皮-弦条结构设计

弗吉尼亚理工学院创新 IGA 技术推进复合材料飞机蒙皮-弦条结构设计

整体化结构正被用于制造更轻、更环保的飞机。此类先进多层复合材料具有高比强度,在航空航天、造船等行业应用日益广泛。

然而,当用于高超音速飞行器时,此类结构在极短时间内因气动加热(车体表面与大气摩擦)导致温度显著升高,该现象在再入与发射阶段尤为突出。因此,热效应必须纳入此类结构的设计与分析考量。

随着工程应用对层合复合材料要求提升,任意形状切口的板材应用不可避免。但切口的存在会显著影响结构对载荷的响应。鉴于带切口层合复合材料研究属复杂问题,数值方法被广泛采用。弗吉尼亚理工学院研究者将新兴的等几何分析(IGA)引入,建模带各种形状和尺寸切口的曲线弦条加劲复合板。

弗吉尼亚理工学院整体化结构组前博士生 Balakrishnan Devarajan 博士表示:“IGA 提供更高精度与效率,在每级网格细化中均能精确表达弦条精确几何形状,且在弦条与复合板连接区域提供更灵活的细化能力。”

弗吉尼亚理工学院创新 IGA 技术推进复合材料飞机蒙皮-弦条结构设计

Devarajan 博士与合作者 Rakesh Kapania 博士完成的开发工作,引入插值函数矩阵实现弦条控制点与板控制点间的位移连续性。曲线弦条仅用三个控制点即可精确生成(图 1)。研究者采用多贴片法创建复杂切口几何,并制定方法强制执行贴片间界面条件,保持高阶连续性。该方法免除了弦条节点必须与板节点重合的必要性。

与标准有限元方法对比分析显示:IGA 具有更高收敛率、精度与效率。该成果即将以开源代码形式发布于 GitHub。研究已发表于《Composite Structures》期刊,题为《Thermal buckling of curvilinearly stiffened laminated composite plates with cutouts using isogeometric analysis》(基于等几何分析的带切口曲线弦条加劲层合复合板热屈曲分析)。

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