一種活動面后緣縫合連接拉脫/剪切試驗及分析

張弛

1試驗內容

１．１試驗件

試驗件由上下兩塊壁板及后緣壓板組成，上下壁板結構相同，均為泡沫夾層結構。后緣通過縫合方式連接，如圖1所示。

圖 1縫合后緣試驗件

１．２加載要求

后緣拉脫強度試驗加載時對壁板前端的一端進行約束，另一端加載，后緣剪切試驗加載時對壁板前端的一端進行約束，另一端夾持加載，加載示意圖見圖2。

圖 2拉脫、接剪切強度試驗加載示意圖

２實施方案

2.1試驗夾持方案與夾具

拉脫試驗夾持方案與夾具示意圖見圖3。

夾具與試驗件通過機械或膠接連接，試驗中保持上下加載端在同一平面內。夾具設計要求具有足夠的剛度和強度，以確保試驗件載荷施加符合試驗要求。

試驗夾具為對稱的上下兩件，由于加載方式不同，分別設計兩套不同加載方案，如圖3所示。

圖 3拉脫試驗夾持方案與夾具示意圖

剪切試驗方案與夾具示意圖見圖4。試驗時將試驗件固定在夾具中，加載時要保證兩端載荷在一條直線上。試驗夾具要求具有足夠剛度和強度，以保證試驗載荷施加的合理性和試驗順利進行。

圖 4剪切試驗方案與夾具示意圖

2.2加載程序與應變測量

２．２．１加載程序

在將試驗件固定在夾具并與試驗機連接后，對試驗件進行分級加載，試驗加載速度均為2mm/min。試驗分三個階段進行加載：

第一階段加載：加0％～30％的預估極限載荷停機，檢查試驗件的受力情況、夾具與試驗件以及與設備連接狀態、試驗機運行情況、應變測量以及數據采集系統等的工作是否正常；記錄測量數據，然后卸載，卸載后不允許試驗件有永久的變形情況；

第二階段加載：重復加0％～30％的極限載荷，要求試件相關測量數據與第一次加載試驗具有可重復性。

第三階段加載：加載至極限載荷，記錄測量數據，進行現場拍照和錄像。觀察確定試驗中試驗件初始破壞載荷和破壞模式，以及最終破壞載荷和破壞模式。

分段加載中需要根據極限載荷方可確定加載比例。在試驗前未知極限載荷情況下，可根據初步估算值確定。每組實驗至少分10段加載。

為試驗中細致觀察應變數據變化，同時聽聲音確定初始破壞，觀察確定初始破壞模式。試驗施加最大載荷為試驗件極限承載能力，其對應的破壞模式為最終破壞模式。

２．２．２應變測量

1）應變計基本布局

試件布置的應變計分布在試驗件夾持端和經計算分析確定的應力集中處，以確定加載的載荷分布的合理性，同時可以確定結構破壞載荷。

2）應變測量要求

a. 測量與記錄每一級載荷下的應變變化；

b. 通過應變測量確定試驗件初始破壞和相應位置；

c．測量試驗件在許用載荷作用下的應變狀態，通過應變與載荷測量確定試驗件的破壞載荷，以及破壞時的應變狀態。

3數據處理與結果分析

3.1試驗數據

通過載荷與應變測量可以直接得到載荷-位移曲線，由載荷位移曲線可分析試驗件變形與載荷變化，得到試驗件的初始破壞載荷和最終破壞載荷的等；試驗中得到多條載荷-應變曲線，通過對載荷-應變曲線輔助分析可以獲得試件起始破壞位置和破壞形式，進一步可分析對結構性能影響。

3.2試驗結果及分析

３．２．１有限元模型

試驗件有限元模型沿展向取一段，如圖5所示。

根據試驗件的結構形式，對其不同的部位賦予不同的材料、截面屬性和單元類型。對于復合材料層板部分（對應于圖5中的灰白色部分），賦予其復合材料的參數，這里所采用的復合材料為NCF布，其材料性能按所提供的數據輸入有限元模型中，鋪層同試驗件CATIA模型中給出的鋪層。這里對復合材料面板進行模擬采用的是ABAQUS中的八節點連續殼單元SC8R。對于試驗件中的泡沫夾層部分、夾持端玻璃鋼部分和后緣金屬壓板部分（分別對應于圖5中的紅色、藍色和綠色部分），分別賦予其各向同性的泡沫、玻璃鋼和鋁的材料屬性，并且有限元模型中采用三維實體單元對這三部分進行模擬。

由于試驗件上下部分之間的界面是試驗過程中重要的潛在破壞位置，因此需要重點對此處加以考慮。這里模型中采用ABAQUS中的界面單元進行模擬，界面單元的材料采用了Traction-Separation本構關系，該本構關系可用式(1)表示：

t■t■t■=K■K■K■?著■?著■?著■(1)

式(1)右端為界面單元的3個作用力：法向正應力t■、切向剪應力t■和t■，K■(i=n,s,t)為界面單元模型中三個應力所對應的剛度系數。?著■(i=n,s,t)為界面單元模型的三個應變，假設界面厚度為T■，則

?著■=■,?著■=■,?著■=■(2)

式(2)中，?啄■(i=n,s,t)為界面單元模型三個方向上的變形。

圖5有限元模型

３．２．２載荷與邊界條件

為了方便地在端部施加載荷或邊界條件，將試驗件上下兩部分的端面分別同一個參考點耦合起來，這里使用了ABAQUS中的Coupling功能。在耦合時，將端面的六個自由度都同所對應的參考點耦合起來。

對試驗件有限元模型在拉脫和剪切兩種試驗條件下施加載荷與邊界條件進行分析。

拉脫試驗，確定展向為x方向，弦向為y方向。對固定一端（下端）端面施加的邊界條件為約束除繞x方向的轉動之外的所有自由度；對加載一端（上端）端面施加的邊界條件為約束x、y方向的平動和繞y、z方向的轉動，同時沿z的正方向施加一定的位移，同時輸出對應于此的支反力以查看對應的載荷大小。

對于剪切試驗，施加邊界條件時分別建立了對應于兩端面板的坐標系，其中坐標系的x方向為展向，y方向為壁板平面內垂直于x的方向，z方向垂直于面板。固定一端（受壓一端）端面邊界條件為固支，同時這一端的外部面板限制沿垂直于面板的位移；加載一端（受拉一端）端面邊界條件為在對應于這一端面板的坐標系下約束除y方向的平動之外的所有自由度，并在在y方向上施加一定的位移，同時輸出對應于此的支反力以查看對應的載荷大小。

３．２．３有限元分析結果

（1）拉脫試驗有限元分析結果

由應力云圖可以看到，上下兩部分對稱面在所形成缺口尖端處應力集中，此處為拉脫試驗破壞應考慮的危險部位之一。如試驗件上下兩部分之間界面之間的應力云圖所示，拉脫試驗條件下對稱界面應力在缺口尖端處最大。從泡沫夾層應力圖中可以看到，在上下兩懸臂的的夾層泡沫部分存在較大應力，因此泡沫夾層也是拉脫試驗破壞應考慮的危險部位之一。

圖 6拉脫試驗有限元分析結果

（2）剪切試驗有限元分析結果

由應力云圖可以看到，上下兩部分對稱面在所形成缺口尖端處應力集中，此處為剪切試驗破壞應考慮的危險部位之一。試驗件上下兩部分之間界面之間的應力云圖所示，剪切試驗條件下對稱界面應力在缺口尖端處最大，但同拉脫試驗相比，分別在模型所加載荷條件下，對應于剪切試驗的界面的應力水平要明顯低于拉脫試驗，各分量的情況同樣如此。由泡沫夾層應力云圖可以看到泡沫夾層中靠近后緣尖端部位為應力較大的部位，同時在靠近缺口部位的泡沫應力也較大，不過也與泡沫強度相差較大。

圖7剪切試驗有限元分析結果

４結論

通過有限元模型的計算結果，初步分析了各類試驗中可能發生破壞的危險部位。對于拉脫試驗還是剪切試驗，需重點關注上下部位之間的對稱面，而泡沫夾層可能是決定試驗件最終破壞的部位。

［責任編輯：張濤］201210）