碳纖維增強(qiáng)泡沫鋁夾芯梁彎曲性能數(shù)值模擬

郭 昕

（中國(guó)石油天然氣股份有限公司重慶銷售涪陵分公司， 重慶 408000）

0 引言

復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)合理，質(zhì)量輕等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于航空航天、建筑工程、造船、交通等領(lǐng)域中。根據(jù)夾層結(jié)構(gòu)所使用的芯材種類和形式的不同，夾層結(jié)構(gòu)可分為：泡沫夾層結(jié)構(gòu)，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，梯形板夾層結(jié)構(gòu)。泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)是一種新型的夾層結(jié)構(gòu)。由于泡沫鋁材料本身的具有一定的剛度與強(qiáng)度，較其它泡沫材料具有更好地力學(xué)性能及延性，故這種新型結(jié)構(gòu)的應(yīng)用前景較為廣闊。從目前發(fā)展現(xiàn)狀來看，泡沫鋁夾芯件有比單純泡沫鋁材料更為廣泛的應(yīng)用。[1]。

目前，關(guān)于泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究的相關(guān)文獻(xiàn)較多。而關(guān)于碳纖維增強(qiáng)泡沫鋁夾層結(jié)構(gòu)的文獻(xiàn)較少。故本文運(yùn)用有限元對(duì)碳纖維增強(qiáng)泡沫鋁夾芯梁的三點(diǎn)性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。

本文基于ANSYS軟件，對(duì)泡沫鋁夾芯梁的力學(xué)性能進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。同時(shí)，提出一種新型的夾層結(jié)構(gòu)－碳纖維增強(qiáng)泡沫鋁夾芯梁。并對(duì)這種新型結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能與泡沫鋁夾芯梁的力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比。

1 模型及材料參數(shù)

圖1為泡沫鋁夾芯梁的計(jì)算模型。面板厚度為t，泡沫鋁芯層厚度為C，計(jì)算跨度為L(zhǎng)，梁外伸長(zhǎng)度為H，施加荷載的加壓板寬為a，外加力為F，梁寬為b=10mm。碳纖維增強(qiáng)層設(shè)置在下面板與泡沫鋁中間。等效厚度為n。

圖1 為泡沫鋁夾芯梁計(jì)算模型

面板與泡沫鋁材料本構(gòu)模型取為雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化材料模型。碳纖維材料的本構(gòu)模型取為線彈性模型。材料的破壞通過考查材料的最大應(yīng)變是否達(dá)到材料的極限應(yīng)變判定。各個(gè)材料的材料參數(shù)取值如下表：

表1 材料參數(shù)表

計(jì)算中梁的幾何參數(shù)如下：t=1mm，C=20mm，L=100mm，H=10mm，a=10mm，n=0.111mm。主要考查梁的力－位移曲線的變化規(guī)律。

2 單元介紹

計(jì)算單元采用ANSYS提供的高精度平面二維單元plane82與實(shí)體單元Solid46共同分析完成。PLANE82單元,它是八個(gè)節(jié)點(diǎn)(I、J、K、L、M、N、O、P)二維結(jié)構(gòu)實(shí)體單元。PLANE82單元一般為四邊形。通過定義相同節(jié)點(diǎn)號(hào)的K、L、O也可形成三角形單元。Plane82單元可通過實(shí)常數(shù)（Thk）定義Z方向（平面法線方向）的厚度。這樣就可以實(shí)現(xiàn)指定梁的寬度，可用于分析夾層梁在荷載作用下的力學(xué)性能。

3 計(jì)算結(jié)果分析

圖2 夾層梁模型圖

圖2到圖5為計(jì)算結(jié)果圖。

圖2顯示梁變形前后的對(duì)比圖。由圖可以看出，夾芯梁變形符合三點(diǎn)彎曲實(shí)際情況。跨中位置位移最大，而兩端位移為零。與實(shí)體梁變形基本類似。同時(shí)也看出夾芯梁在三點(diǎn)彎曲作用下，芯材存在壓縮的情況。

圖3 梁應(yīng)變圖

圖3的應(yīng)變圖非常明顯顯示在夾芯梁跨中位置上面板發(fā)生了明顯的塑性變形，而且塑性變形的量值最大。其次，梁跨中下面部面板塑性變形較梁兩端的塑性變形值大。在力作用點(diǎn)處發(fā)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖4 梁有無碳纖維增強(qiáng)力－位移曲線圖

4 顯示增加碳纖維層后，泡沫鋁夾芯梁跨中變形的對(duì)比圖，由圖可以看出，增加碳纖維能有效提高夾芯梁在集中力作用下的受彎承載力，隨著作用力的增加，提高的比例越來越多。

4 結(jié)論

通過數(shù)值模擬研究了泡沫鋁芯梁在集中力作用下的變形能力，同時(shí)分析了增加碳纖維前后梁的變形差異。可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1、運(yùn)用平面二維單元與實(shí)體單元可以模擬出與實(shí)際情況相類似的受彎性能。是一種經(jīng)濟(jì)且高效的研究泡沫鋁夾芯梁的手段。

2、增加碳纖維增強(qiáng)層能提高泡沫鋁夾芯梁在集中荷載作用下的力學(xué)性能，減小泡沫鋁夾芯梁在集中荷載作用下的跨中變形值。當(dāng)梁受到的集中力越大，增強(qiáng)效果越好。