復合材料加筋壁板壓縮試驗研究與仿真分析

田甜+張帆+許健

摘 要：文章對含預埋筋條膠接缺陷的復合材料加筋板進行了壓縮試驗，研究了不同長度膠接缺陷對復合材料加筋結構破壞形式和破壞強度的影響。并建立了含筋條膠接缺陷復合材料加筋板的非線性有限元分析模型，研究結構的后屈曲行為、脫粘擴展細節和破壞機理。有限元分析結果與試驗結果吻合良好，證明了該模型及分析方法的有效性。

關鍵詞：復合材料；加筋壁板；壓縮試驗；仿真

中圖分類號：V214.8 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）05-0045-02

Abstract： In this paper， the compression tests of composite stiffened plates with embedded bar bonding defects are carried out， and the effects of different lengths of bonding defects on the failure form and strength of reinforced composite structures are studied. The nonlinear finite element analysis model of reinforced composite plate with reinforced strip and adhesive defect is established， and the post-buckling behavior， details of debonding propagation and failure mechanism of the structure are studied. The results of finite element analysis are in good agreement with the experimental results， which proves the validity of the model and the analytical method.

Keywords： composite material； stiffened panel； compression test； simulation

引言

碳纖維復合材料加筋壁板因具有質量輕、結構效率高等優點，在航空航天飛行器結構中得到了廣泛應用。實際應用中，缺陷容易發生在筋條底緣和蒙皮的膠接界面，因此對受損傷的復合材料加筋板開展試驗研究和仿真，分析損傷擴展模式對復合材料加筋板結構的損傷評估具有重要的指導作用。本文針對包含I字型筋條的復合材料加筋板開展了壓縮破壞試驗和仿真分析，研究分析結構在壓縮載荷下的后屈曲行為、裂紋擴展模式和破壞機理。

1 研究方法

1.1 試驗方法

本試驗采用包含三條工字型筋條的復合材料加筋板作為試驗件。制備試件時，在長桁底緣和C型筋條之間預埋一片矩形聚四氟乙烯薄膜，用來模擬長桁膠接缺陷。試驗件幾何參數見圖1，試驗裝置見圖2。實驗過程為沿筋條方向施加位移載荷直至結構破壞。

1.2 仿真方法

在ABAQUS有限元分析軟件基礎上，建立含膠接缺陷的復合材料加筋板非線性有限元模型。采用虛擬裂紋閉合技術（VCCT）模擬含缺陷筋條膠接界面，采用膠層單元模擬其它無缺陷筋條膠接界面，并采用Hashin準則作為強度準則，以及B-K準則[1]作為損傷演化法則。虛擬裂紋閉合技術是在線彈性斷裂力學的基礎上發展起來的[2]，適用于沿預定表面擴展的復合材料脆性斷裂問題[3]。其他不含膠接缺陷的界面也需要考慮脫粘損傷，因為是否考慮脫粘對有限元模擬結構破壞過程和極限承載能力有較大影響。有限元模型如圖3所示。

2 試驗結果與仿真分析結果對比

2.1 破壞強度對比

壓縮破壞試驗結果及仿真結果對比分析見表1，隨著膠接缺陷尺寸增加，試件剩余強度顯著降低，證明膠接缺陷對復合材料加筋結構的承載能力有顯著影響。有限元模擬計算的破壞強度與試驗結果吻合良好，誤差在2%以內，證明該模型及分析方法合理有效。圖4為根據仿真分析得到數據繪制的載荷位移曲線，A點為屈曲臨界點，B點為裂紋擴展起始點，C點為結構失效點。

2.2 破壞模式對比

試驗件的破壞形為中央筋條的脆性斷裂和膠接界面的大面積脫粘，三種試驗件的破壞照片如圖5所示。

破壞機理分析：筋條膠接缺陷部位發生明顯的局部子層屈曲，引起底緣的纖維壓縮破壞和基體壓縮破壞，接著由于腹板屈曲變形的增大，腹板與底緣的連接處發生纖維拉伸破壞和基體拉伸破壞，同時底緣的壓縮破壞將迅速擴展至腹板和頂緣，導致筋條最終完全壓縮破壞。有限元模擬的中央筋條破壞形式和筋條膠接界面脫粘情況如圖6所示，與試驗結果吻合。

3 結束語

本文對含不同尺寸膠接缺陷的復合材料加筋板進行了壓縮破壞試驗，證明加筋板破壞載荷隨筋條膠接缺陷尺寸的增大而減小；并基于斷裂力學理論建立了合理有效的有限元分析模型，研究結構在壓縮載荷下的后屈曲行為、脫粘擴展細節和復合材料的破壞機理。有限元分析結果與試驗結果吻合良好，證明本文提出的分析方法合理有效。

參考文獻：

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