A new analysis model for the effective stiffness of stiffened metallic panels under combined compression and shear stress

The paper deals with the analysis of the effective stiffness of stiffened metallic panels under combined compression and shear stress as used, e.g. in aircraft fuselages. An important criterion for sizing and certification of aircraft fuselages is the local and global buckling behaviour. For optimisation of stiffened metallic panels it is necessary to know the buckling and postbuckling behaviour as accurately as possible. Due to the fact that nonlinear FE analyses of a whole aircraft fuselage are too time consuming, a very fast quasi nonlinear FE analysis with a coarse mesh under consideration of semi-empirical methods for the effective skin-stiffness are used. At this point the effective stiffness method derived in this paper is used. Admittedly previous semi-empirical methods like the effective width method [J. Wiedemann, Leichtbau 1: Elemente, second ed., 1996; M.C.Y. Niu, Airframe Stress Analysis and Sizing, second ed., Commilit. Press Ltd., 1999] (only for pure compression load) or the method of Kuhn [P. Kuhn, J.P. Peterson, L.R. Levin, A summary of diagonal tension part I – methods of analysis, Technical Note 2661, NACA, 1952] (only for pure shear load) have disadvantages for the general combined compression and shear load case. This is improved in the current method.The first part of the paper deals with the realisation of the compression and shear test facility in a finite element model. The verification of the finite element model is important for subsequent parameter variations. The second part of the paper presents the approach of how to assess the effective skin-stiffness. In comparison to the paper in [M. Heitmann, P. Horst, D. Fitzsimmons, Effective stiffness of postbuckled stiffened metallic panels under combined compression and shear stress, J. Strain Anal. 38 (6) (2003) 534–555] many new parameters have been analysed. Therefore the new approach for the geometrically nonlinear analysis derived from the finite element results for combined compression and shear stress is considerably improved. At the end of the paper the great benefit of the new approach is shown. The results of very fast quasi nonlinear FE analyses under consideration of the new approach for the effective skin-stiffness on a coarse panel mesh agree well with the results of time expensive nonlinear FE analysis on a very fine panel mesh. Further studies are necessary to expand the new method to the influence of plasticity.

ZusammenfassungDas Paper beschäftigt sich mit der Berechnung effektiver Steifigkeiten versteifter metallischer Strukturen unter kombinierter Druck- und Schubbeanspruchung, wie sie z.B. in der Analyse von Flugzeugrumpfstrukturen zur Anwendung kommen. Für die Auslegung und Zulassung solcher Strukturen ist das lokale und globale Beulverhalten ein wesentliches Kriterium. Will man solche versteiften, dünnwandigen Strukturen optimieren, ist eine möglichst genaue Kenntnis vom lokalen und globalen Beulverhalten erforderlich. Auf Grund der Tatsache, dass nichtlineare Berechnungen einer gesamten Flugzeugrumpfstruktur zu zeitaufwändig sind, werden derzeit als Stand der Technik schnelle quasi nichtlineare FE-Berechnungen an groben FE-Netzen unter Berücksichtigung von semi-empirischen Verfahren zur Ermittlung der effektiven Hautsteifigkeiten verwendet. Hierbei besitzen die bisherigen semi-empirischen Verfahren der Mittragenden Breite [J. Wiedemann, Leichtbau 1: Elemente, second ed., 1996; M.C.Y. Niu, Airframe Stress Analysis and Sizing, second ed., Commilit. Press Ltd., 1999] (nur für die reine Drucklast) oder das Verfahren nach Kuhn [P. Kuhn, J.P. Peterson, L.R. Levin, A summary of diagonal tension part I – methods of analysis, Technical Note 2661, NACA, 1952] (nur für die reine Schublast) Nachteile in der Beschreibung des allgemeinen Druck- und Schublastfalls.Der erste Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Übersetzung der Druck- und Schubtestanlage in ein finite Elemente Modell. Die Verifikation des FE-Modells ist wichtig für nachfolgende Parametervariationen. Der zweite Teil der Arbeit handelt von der Vorgehensweise, wie ein neues semi-empirisches Verfahren für die effektiven Hautsteifigkeiten abgeleitet werden kann. Im Vergleich zum Artikel in [M. Heitmann, P. Horst, D. Fitzsimmons, Effective stiffness of postbuckled stiffened metallic panels under combined compression and shear stress, J. Strain Anal. 38 (6) (2003) 534–555] sind viele zusätzliche Parameter untersucht worden. Deshalb konnte der neue Ansatz zur Beschreibung der effektiven Hautsteifigkeiten im geometrisch Nichtlinearen hergeleitet aus den FE-Ergebnissen der kombinierten Druck- und Schubspannungsberechnungen wesentlich verbessert werden. Am Ende des Artikels wird der große Vorteil des neuen Verfahrens gezeigt. Die Ergebnisse aus sehr schnellen quasi nichtlinearen FE-Analysen unter Berücksichtigung des neuen Verfahrens zur Bestimmung effektiver Hautsteifigkeiten an einem groben Teilschalennetz stimmen gut überein mit den Ergebnissen einer zeitaufwändigen nichtlinearen FE-Analyse an einem fein idealisierten Teilschalennetz. Weitergehende Studien sind notwendig, um den Plastizitätseinfluss im Ansatz berücksichtigen zu können.