復合材料夾芯壁板軸向壓縮穩(wěn)定性研究

古小磊，彭昂，蔡登安，周光明

(南京航空航天大學 航空學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

在實際的工程應用中，結構的穩(wěn)定性是評價一種部件是否可靠的一項重要指標，因此為了實際應用的安全性，十分有必要對結構的穩(wěn)定性做深入的分析。

目前，國內(nèi)外很多學者對復合材料夾層結構的穩(wěn)定性進行了廣泛的研究并取得了一定的成果。陳悅等[1]通過實驗和數(shù)值仿真對夾層結構軸承載荷下的屈曲和后屈曲進行了研究。結果表明面芯脫粘是夾芯結構屈曲破壞最先出現(xiàn)的形式。作者還研究了面板鋪層角度、表層厚度及芯材厚度對整體承載能力的影響。結果顯示增加面板的軸向剛度以及芯材的厚度都會提高其承載能力，但增加芯材厚度的同時，結構也會產(chǎn)生一定的橫向剪切力。萬玉敏等[2]通過解析法、有限元法和實驗法相結合的方式對夾層結構在壓縮和剪切載荷作用下整體屈曲進行了分析，并基于工程解析法和經(jīng)典層合板理論推導出了試驗件尺寸對整體穩(wěn)定性的影響。結果表明，在結構受壓時，其單位屈曲載荷會隨著結構長寬比的增大而增大，但會漸漸收斂到某一特定的值，而在剪切載荷的作用下，對單位屈曲載荷受試件長寬比的影響不大。王寶芹等[3]通過基于改進的通用單胞模型的宏細觀多尺度數(shù)值模型對夾芯結構的軸壓穩(wěn)定性進行了研究，所得到的結果與試驗結果吻合較好，驗證了該模型的有效性。HELLAL H等[4]提出一種新的剪切變形理論用來對功能性材料夾芯板在濕熱環(huán)境下的動態(tài)屈曲進行分析。

本文采用線性屈曲分析對夾芯壁板的屈曲載荷進行預測，基于傳統(tǒng)Hashin準則[5]和適用于織物的三維Hashin準則[6]對面板鋪層的損傷進行預測；考慮到泡沫夾芯材料拉壓強度的不同，采用基于拉伸、壓縮和剪切三強度的三參元廣義強度準則[7]對泡沫芯材的極限強度進行預測。將仿真結果與試驗結果進行對比，驗證了模型的有效性。

1 試驗分析

試件尺寸為300mm×415mm，芯材厚度為8mm，兩端各有35mm的端部保護，如圖1所示。復合材料面板鋪層順序為[(±45)/0/(±45)/芯層/(±45)/(±45)]。材料屬性見表1，夾芯泡沫材料屬性見表2。

圖1 試件樣式

表1 復合材料性能參數(shù)

表2 PMI泡沫材料屬性

軸向壓縮試驗在MTS370.50疲勞試驗機上進行，試驗夾具和夾持方式如圖2所示。

圖2 軸向壓縮試驗夾具及夾持方式

應變片粘貼位置和DIC面外變形測量點如圖3所示。

圖3 試件應變和面外變形測量點位置

軸向壓縮試驗部分應變情況如圖4所示。采用文獻中的判別方法可確定試件的屈曲載荷，對應圖中豎向虛線所在載荷，大小約為46kN。圖5為DIC測量點面外變形情況，當達到屈曲載荷后面外變形加劇。

圖4 典型載荷-應變曲線

圖5 DIC測量載荷-面外變形曲線

試件的主要破壞模式表現(xiàn)為大面積的面芯分離和芯材壓潰以及伴隨著局部區(qū)域的纖維斷裂，如圖6所示。

圖6 試件典型破壞模式

2 有限元分析

在商用有限元軟件ABAQUS中完成結構的建模及材料屬性的賦予。其中上下面板及芯材均采用C3D8R實體單元。

由于在實際加載的過程中，試件的上下兩端分別加了35mm夾持端，所以在ABAQUS有限元模擬中，這部分采用多點約束(MPC)的方式進行與參考點之間的綁定連接。試件整體的約束方式按照實際約束進行施加，右端為固定端，進行固支約束；試件左端為加載端，只釋放x方向的自由度；試件的兩側添加z向約束限制其離面位移，預留部分位移承載區(qū)，如圖7所示。

圖7 軸向壓縮有限元模型

采用ABAQUS中的BUCKLE模塊對復合材料夾芯壁板進行線性屈曲分析，得到仿真線性屈曲載荷為52kN，與試驗誤差在12%左右。將有限元仿真得到的屈曲模態(tài)與試驗DIC所測得面外變形結果進行對比，可看出兩者具有很好的一致性(圖8)。

圖8 試件屈曲模態(tài)

采用非線性有限元法對夾芯壁板軸向壓縮的破壞強度進行預測。有限元分析流程如圖9所示。面板單向帶鋪層和織物鋪層損傷準則分別見文獻[8]和文獻[6]。

圖9 夾芯壁板軸向壓縮有限元分析流程

圖10所示為有限元載荷-位移曲線與試件結果對比。從圖中可以看出，仿真結果與試驗結果初始階段吻合性都比較好，但隨著載荷的增加，試驗的載荷-位移曲線比仿真載荷-位移曲線非線性更加明顯。其可能原因是雖然仿真增加了初始幾何缺陷，但在材料內(nèi)部還存在其他微小缺陷。仿真破壞載荷為59.7kN，試驗破壞載荷為54.6kN，誤差為9.3%。說明本模型可以很好地預測夾芯壁板結構的承載能力。

圖10 夾芯壁板仿真和試驗載荷-位移曲線對比

圖11為夾芯壁板面板損傷情況，其中紅色代表損傷，藍色表示無損傷，灰色區(qū)域為夾持端(本刊為黑白印刷，如有疑問請咨詢作者)。從中可看出損傷主要發(fā)生試件的兩端，而在加載端部預留的承載位移區(qū)使仿真的損傷區(qū)域更大，和試驗結果一致。

圖11 夾芯壁板面板損傷云圖

3 結語

基于試驗和有限元仿真軟件對復合材料夾芯壁板結構軸向壓縮穩(wěn)定性進行了系統(tǒng)的分析，結果表明：

1)復合材料夾芯結構在軸向壓縮的過程中，當達到屈曲載荷后會很快失去其承載能力；

2)復合材料夾芯結構的破壞形式主要表現(xiàn)為明顯的纖維斷裂、芯材壓潰和面芯分離；

3)建立的有限元仿真分析模型可以對結構的承載能力以及破壞形式做出較好的預測。