復(fù)合材料π型結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究

尹劍

摘 要：采用PATRAN/NASTARN對(duì)復(fù)合材料多墻盒段中的π型結(jié)構(gòu)進(jìn)行線性有限元分析，得到π型結(jié)構(gòu)在拉伸載荷下的應(yīng)力分布及應(yīng)力集中部位，并對(duì)相同的π型結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力試驗(yàn)，得到拉伸載荷下結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域及破壞模式，通過(guò)比較可知有限元分析及試驗(yàn)分析的結(jié)果具有較好的一致性。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料 多墻結(jié)構(gòu) π型結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TB330.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）07（b）-0024-02

隨著復(fù)合材料在民用飛機(jī)上的應(yīng)用的深入，逐漸意識(shí)到傳統(tǒng)的以緊固件連接為主的設(shè)計(jì)/制造觀念及方法在很大程度上已無(wú)法滿足民機(jī)在經(jīng)濟(jì)性、舒適性等方面的需求。然而可以通過(guò)無(wú)需機(jī)械緊固件連接的方式（如共膠接/共固化等）將不同零件成型為一體，避免了大量的緊固件，從而達(dá)到減重以及簡(jiǎn)化使用維護(hù)的目的。某型民機(jī)復(fù)合材料水平安定面主盒段采取多墻結(jié)構(gòu)形式，其中的墻結(jié)構(gòu)與壁板結(jié)構(gòu)通過(guò)與π型長(zhǎng)桁共膠接的方式進(jìn)行連接。目前對(duì)這種結(jié)構(gòu)形式的研究主要集中在多墻結(jié)構(gòu)加筋壁板的穩(wěn)定性方面[1-4]，而對(duì)壁板蒙皮與墻之間的π型長(zhǎng)桁共膠接的連接分析尚無(wú)成熟的方法，本文對(duì)π型結(jié)構(gòu)連接形式進(jìn)行有限元研究，并進(jìn)行了相應(yīng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明有限元分析與試驗(yàn)具有較高的一致性。

1 有限元分析

某型民機(jī)復(fù)合材料多墻結(jié)構(gòu)水平安定面盒段中的π型長(zhǎng)桁結(jié)構(gòu)如圖1所示，π型長(zhǎng)桁與蒙皮共固化成型，然后與墻結(jié)構(gòu)通過(guò)二次膠結(jié)成型。其中復(fù)合材料蒙皮及π型長(zhǎng)桁材料為T700/BA9916級(jí)單向帶，單層厚度為0.125 mm，墻結(jié)構(gòu)為蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，厚度為5 mm，填充區(qū)為T700/BA9916級(jí)材料的0°纖維束。

根據(jù)π型結(jié)構(gòu)的成型特點(diǎn)，有限元分析模型的幾何尺寸分別取寬120 mm、高95 mm，π型長(zhǎng)桁鋪層為（45/90/-45）S。在模型中π型長(zhǎng)桁采用殼元（PSHELL）模擬，蒙皮、墻結(jié)構(gòu)及填充區(qū)采用實(shí)體單元（HEX8）模擬，模型中使用的T700/BA9916級(jí)材料及蜂窩芯的力學(xué)性能如表1所示。

根據(jù)π型結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力特點(diǎn)，對(duì)模型中的墻結(jié)構(gòu)施加拉伸載荷，在蒙皮兩側(cè)進(jìn)行固支約束，有限元模型如圖2所示。

利用MSC/NASTRAN進(jìn)行線性求解，得到π型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果，如圖3所示。

從應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D中可以看出，在外載荷作用下，π型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中部位出現(xiàn)在π型長(zhǎng)桁與蒙皮之間的三角填充區(qū)處。

2 試驗(yàn)分析

試驗(yàn)件鋪層以及幾何尺寸與有限元分析模型相同。通過(guò)夾具固支試驗(yàn)件兩側(cè)蒙皮，并通過(guò)加載試驗(yàn)機(jī)夾頭夾住試驗(yàn)件蜂窩墻，墻的夾持區(qū)域貼有玻璃纖維補(bǔ)強(qiáng)片，加載試驗(yàn)機(jī)以0.5 mm/min的加載速度對(duì)試驗(yàn)件連續(xù)加載直至試驗(yàn)件破壞。

π型結(jié)構(gòu)試件在拉脫載荷作用下，在π形長(zhǎng)桁填充區(qū)的圓弧外邊緣最先出現(xiàn)分層，然后由填充區(qū)的起始損傷處向周圍擴(kuò)展，最終擴(kuò)展到π形長(zhǎng)桁/蒙皮之間的結(jié)合界面的臨近層，并導(dǎo)致試驗(yàn)件的最終破壞，圖4為2#試驗(yàn)件的加載過(guò)程。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)π型結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元及試驗(yàn)分析，可以得到如下結(jié)論：

（1）對(duì)于拉脫載荷作用下，通過(guò)有限元及試驗(yàn)分析均可得到，π型結(jié)構(gòu)的薄弱部位位于填充區(qū)，兩種分析的結(jié)果較為一致。

（2）對(duì)于拉脫試驗(yàn)，由于膠層的強(qiáng)度高于復(fù)合材料的層間強(qiáng)度，起始損傷基本都在填充區(qū)的邊緣產(chǎn)生，最終失效位置出現(xiàn)在最靠近與蒙皮膠接的膠接界面的π形連接元件的45°層、0°層及-45°層的層間，結(jié)構(gòu)的承載能力最終取決于復(fù)合材料層壓板的層間強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國(guó)航空研究院.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析指南[M].北京：航空工業(yè)出版社， 2002.

[2] 崔德剛.結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，1996：203-228.

[3] 孫曉峰，張志民.復(fù)合材料多墻式結(jié)構(gòu)非線性穩(wěn)定性分析[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2001，18（3）：119-123.

[4] 白瑞祥，陳浩然，王蔓.含分層損傷復(fù)合材料加筋層合板的動(dòng)承載能力[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2005，22（1）：139-144.

摘 要：采用PATRAN/NASTARN對(duì)復(fù)合材料多墻盒段中的π型結(jié)構(gòu)進(jìn)行線性有限元分析，得到π型結(jié)構(gòu)在拉伸載荷下的應(yīng)力分布及應(yīng)力集中部位，并對(duì)相同的π型結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力試驗(yàn)，得到拉伸載荷下結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域及破壞模式，通過(guò)比較可知有限元分析及試驗(yàn)分析的結(jié)果具有較好的一致性。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料 多墻結(jié)構(gòu) π型結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TB330.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）07（b）-0024-02

隨著復(fù)合材料在民用飛機(jī)上的應(yīng)用的深入，逐漸意識(shí)到傳統(tǒng)的以緊固件連接為主的設(shè)計(jì)/制造觀念及方法在很大程度上已無(wú)法滿足民機(jī)在經(jīng)濟(jì)性、舒適性等方面的需求。然而可以通過(guò)無(wú)需機(jī)械緊固件連接的方式（如共膠接/共固化等）將不同零件成型為一體，避免了大量的緊固件，從而達(dá)到減重以及簡(jiǎn)化使用維護(hù)的目的。某型民機(jī)復(fù)合材料水平安定面主盒段采取多墻結(jié)構(gòu)形式，其中的墻結(jié)構(gòu)與壁板結(jié)構(gòu)通過(guò)與π型長(zhǎng)桁共膠接的方式進(jìn)行連接。目前對(duì)這種結(jié)構(gòu)形式的研究主要集中在多墻結(jié)構(gòu)加筋壁板的穩(wěn)定性方面[1-4]，而對(duì)壁板蒙皮與墻之間的π型長(zhǎng)桁共膠接的連接分析尚無(wú)成熟的方法，本文對(duì)π型結(jié)構(gòu)連接形式進(jìn)行有限元研究，并進(jìn)行了相應(yīng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明有限元分析與試驗(yàn)具有較高的一致性。

1 有限元分析

某型民機(jī)復(fù)合材料多墻結(jié)構(gòu)水平安定面盒段中的π型長(zhǎng)桁結(jié)構(gòu)如圖1所示，π型長(zhǎng)桁與蒙皮共固化成型，然后與墻結(jié)構(gòu)通過(guò)二次膠結(jié)成型。其中復(fù)合材料蒙皮及π型長(zhǎng)桁材料為T700/BA9916級(jí)單向帶，單層厚度為0.125 mm，墻結(jié)構(gòu)為蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，厚度為5 mm，填充區(qū)為T700/BA9916級(jí)材料的0°纖維束。

根據(jù)π型結(jié)構(gòu)的成型特點(diǎn)，有限元分析模型的幾何尺寸分別取寬120 mm、高95 mm，π型長(zhǎng)桁鋪層為（45/90/-45）S。在模型中π型長(zhǎng)桁采用殼元（PSHELL）模擬，蒙皮、墻結(jié)構(gòu)及填充區(qū)采用實(shí)體單元（HEX8）模擬，模型中使用的T700/BA9916級(jí)材料及蜂窩芯的力學(xué)性能如表1所示。

根據(jù)π型結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力特點(diǎn)，對(duì)模型中的墻結(jié)構(gòu)施加拉伸載荷，在蒙皮兩側(cè)進(jìn)行固支約束，有限元模型如圖2所示。

利用MSC/NASTRAN進(jìn)行線性求解，得到π型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果，如圖3所示。

從應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D中可以看出，在外載荷作用下，π型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中部位出現(xiàn)在π型長(zhǎng)桁與蒙皮之間的三角填充區(qū)處。

2 試驗(yàn)分析

試驗(yàn)件鋪層以及幾何尺寸與有限元分析模型相同。通過(guò)夾具固支試驗(yàn)件兩側(cè)蒙皮，并通過(guò)加載試驗(yàn)機(jī)夾頭夾住試驗(yàn)件蜂窩墻，墻的夾持區(qū)域貼有玻璃纖維補(bǔ)強(qiáng)片，加載試驗(yàn)機(jī)以0.5 mm/min的加載速度對(duì)試驗(yàn)件連續(xù)加載直至試驗(yàn)件破壞。

π型結(jié)構(gòu)試件在拉脫載荷作用下，在π形長(zhǎng)桁填充區(qū)的圓弧外邊緣最先出現(xiàn)分層，然后由填充區(qū)的起始損傷處向周圍擴(kuò)展，最終擴(kuò)展到π形長(zhǎng)桁/蒙皮之間的結(jié)合界面的臨近層，并導(dǎo)致試驗(yàn)件的最終破壞，圖4為2#試驗(yàn)件的加載過(guò)程。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)π型結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元及試驗(yàn)分析，可以得到如下結(jié)論：

（1）對(duì)于拉脫載荷作用下，通過(guò)有限元及試驗(yàn)分析均可得到，π型結(jié)構(gòu)的薄弱部位位于填充區(qū)，兩種分析的結(jié)果較為一致。

（2）對(duì)于拉脫試驗(yàn)，由于膠層的強(qiáng)度高于復(fù)合材料的層間強(qiáng)度，起始損傷基本都在填充區(qū)的邊緣產(chǎn)生，最終失效位置出現(xiàn)在最靠近與蒙皮膠接的膠接界面的π形連接元件的45°層、0°層及-45°層的層間，結(jié)構(gòu)的承載能力最終取決于復(fù)合材料層壓板的層間強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國(guó)航空研究院.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析指南[M].北京：航空工業(yè)出版社， 2002.

[2] 崔德剛.結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，1996：203-228.

[3] 孫曉峰，張志民.復(fù)合材料多墻式結(jié)構(gòu)非線性穩(wěn)定性分析[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2001，18（3）：119-123.

[4] 白瑞祥，陳浩然，王蔓.含分層損傷復(fù)合材料加筋層合板的動(dòng)承載能力[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2005，22（1）：139-144.

摘 要：采用PATRAN/NASTARN對(duì)復(fù)合材料多墻盒段中的π型結(jié)構(gòu)進(jìn)行線性有限元分析，得到π型結(jié)構(gòu)在拉伸載荷下的應(yīng)力分布及應(yīng)力集中部位，并對(duì)相同的π型結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力試驗(yàn)，得到拉伸載荷下結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域及破壞模式，通過(guò)比較可知有限元分析及試驗(yàn)分析的結(jié)果具有較好的一致性。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料 多墻結(jié)構(gòu) π型結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TB330.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）07（b）-0024-02

隨著復(fù)合材料在民用飛機(jī)上的應(yīng)用的深入，逐漸意識(shí)到傳統(tǒng)的以緊固件連接為主的設(shè)計(jì)/制造觀念及方法在很大程度上已無(wú)法滿足民機(jī)在經(jīng)濟(jì)性、舒適性等方面的需求。然而可以通過(guò)無(wú)需機(jī)械緊固件連接的方式（如共膠接/共固化等）將不同零件成型為一體，避免了大量的緊固件，從而達(dá)到減重以及簡(jiǎn)化使用維護(hù)的目的。某型民機(jī)復(fù)合材料水平安定面主盒段采取多墻結(jié)構(gòu)形式，其中的墻結(jié)構(gòu)與壁板結(jié)構(gòu)通過(guò)與π型長(zhǎng)桁共膠接的方式進(jìn)行連接。目前對(duì)這種結(jié)構(gòu)形式的研究主要集中在多墻結(jié)構(gòu)加筋壁板的穩(wěn)定性方面[1-4]，而對(duì)壁板蒙皮與墻之間的π型長(zhǎng)桁共膠接的連接分析尚無(wú)成熟的方法，本文對(duì)π型結(jié)構(gòu)連接形式進(jìn)行有限元研究，并進(jìn)行了相應(yīng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明有限元分析與試驗(yàn)具有較高的一致性。

1 有限元分析

某型民機(jī)復(fù)合材料多墻結(jié)構(gòu)水平安定面盒段中的π型長(zhǎng)桁結(jié)構(gòu)如圖1所示，π型長(zhǎng)桁與蒙皮共固化成型，然后與墻結(jié)構(gòu)通過(guò)二次膠結(jié)成型。其中復(fù)合材料蒙皮及π型長(zhǎng)桁材料為T700/BA9916級(jí)單向帶，單層厚度為0.125 mm，墻結(jié)構(gòu)為蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，厚度為5 mm，填充區(qū)為T700/BA9916級(jí)材料的0°纖維束。

根據(jù)π型結(jié)構(gòu)的成型特點(diǎn)，有限元分析模型的幾何尺寸分別取寬120 mm、高95 mm，π型長(zhǎng)桁鋪層為（45/90/-45）S。在模型中π型長(zhǎng)桁采用殼元（PSHELL）模擬，蒙皮、墻結(jié)構(gòu)及填充區(qū)采用實(shí)體單元（HEX8）模擬，模型中使用的T700/BA9916級(jí)材料及蜂窩芯的力學(xué)性能如表1所示。

根據(jù)π型結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力特點(diǎn)，對(duì)模型中的墻結(jié)構(gòu)施加拉伸載荷，在蒙皮兩側(cè)進(jìn)行固支約束，有限元模型如圖2所示。

利用MSC/NASTRAN進(jìn)行線性求解，得到π型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果，如圖3所示。

從應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D中可以看出，在外載荷作用下，π型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中部位出現(xiàn)在π型長(zhǎng)桁與蒙皮之間的三角填充區(qū)處。

2 試驗(yàn)分析

試驗(yàn)件鋪層以及幾何尺寸與有限元分析模型相同。通過(guò)夾具固支試驗(yàn)件兩側(cè)蒙皮，并通過(guò)加載試驗(yàn)機(jī)夾頭夾住試驗(yàn)件蜂窩墻，墻的夾持區(qū)域貼有玻璃纖維補(bǔ)強(qiáng)片，加載試驗(yàn)機(jī)以0.5 mm/min的加載速度對(duì)試驗(yàn)件連續(xù)加載直至試驗(yàn)件破壞。

π型結(jié)構(gòu)試件在拉脫載荷作用下，在π形長(zhǎng)桁填充區(qū)的圓弧外邊緣最先出現(xiàn)分層，然后由填充區(qū)的起始損傷處向周圍擴(kuò)展，最終擴(kuò)展到π形長(zhǎng)桁/蒙皮之間的結(jié)合界面的臨近層，并導(dǎo)致試驗(yàn)件的最終破壞，圖4為2#試驗(yàn)件的加載過(guò)程。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)π型結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元及試驗(yàn)分析，可以得到如下結(jié)論：

（1）對(duì)于拉脫載荷作用下，通過(guò)有限元及試驗(yàn)分析均可得到，π型結(jié)構(gòu)的薄弱部位位于填充區(qū)，兩種分析的結(jié)果較為一致。

（2）對(duì)于拉脫試驗(yàn)，由于膠層的強(qiáng)度高于復(fù)合材料的層間強(qiáng)度，起始損傷基本都在填充區(qū)的邊緣產(chǎn)生，最終失效位置出現(xiàn)在最靠近與蒙皮膠接的膠接界面的π形連接元件的45°層、0°層及-45°層的層間，結(jié)構(gòu)的承載能力最終取決于復(fù)合材料層壓板的層間強(qiáng)度。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國(guó)航空研究院.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析指南[M].北京：航空工業(yè)出版社， 2002.

[2] 崔德剛.結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，1996：203-228.

[3] 孫曉峰，張志民.復(fù)合材料多墻式結(jié)構(gòu)非線性穩(wěn)定性分析[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2001，18（3）：119-123.

[4] 白瑞祥，陳浩然，王蔓.含分層損傷復(fù)合材料加筋層合板的動(dòng)承載能力[J].復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2005，22（1）：139-144.