Virginia Tech продвигает дизайн композитных самолетов с новой IGA для обшивка-стрингер структур со сложными выемками

Унитарные структуры используются для построения более легких и экологичных самолетов. Такие передовые, многослойные композитные материалы предлагают высокое отношение прочности к весу и поэтому все чаще используются в авиации и судостроении среди прочих.

Однако, когда они используются в гиперзвуковых космических аппаратах, такие структуры испытывают значительный рост температуры за короткое время, результатом аэродинамического нагрева из-за трения между поверхностью аппарата и атмосферой. Такие явления более заметны при повторном входе и запуске. По этой причине учет термических эффектов важен в дизайне и анализе таких структур.

Из-за увеличения требований, предъявляемых к ламинированным композитам, для множества инженерных применений, использование пластин с произвольно оформленными выемками неизбежно. Но отклик структур на нагрузки может быть значительно затронут из-за присутствия таких выемок. Поскольку изучение ламинированных композитов с выемками — сложная проблема, численные методы используются широко. Теперь исследователи в Virginia Polytechnic Institute and State University (Virginia Tech, Блэксбург, штат Вирджиния, США) объединили недавно эволюционировавший изогеометрический анализ (IGA) для моделирования криволинейно-усиленных композитных панелей с выемками различных форм и размеров.

По словам д-ра Балакришнан Девараджана, бывшего аспиранта группы Unitized structures в Virginia Tech, «IGA предлагает повышенную точность и эффективность и представляет точную геометрию жесткостей на каждом уровне уточнения сетки. Он также обеспечивает большую гибкость в уточнении вблизи областей, где жесткости и композитная пластина соединены».

Разработка, выполненная д-ром Девараджаном и его коллегой д-ром Ракешом Кapania, вводит новый способ достижения непрерывности смещения между контрольными точками жесткости и пластины с использованием матрицы интерполяционной функции. Криволинейная жесткость была точно сгенерирована только тремя контрольными точками (Рис. 1). Исследователи использовали множественные патчи для создания сложных геометрий выемок, а также сформулировали методологию для принуждения интерфейсных условий, сохраняющих высший порядок непрерывности через множественные патчи. Разработанный метод устраняет необходимость совпадения узлов жесткости с узлами пластины.

Анализ и сравнение со стандартными методами конечных элементов показывают более высокие скорости сходимости, точность и эффективность с использованием IGA. Эта работа скоро будет доступна как открытый код на GitHub. Исследование опубликовано в статье Composite Structures: «Термическая потеря устойчивости криволинейно-усиленных ламинированных композитных пластин с выемками с использованием изогеометрического анализа».