含孔洞復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的拉伸性能仿真

陳英函 劉甲秋 于柏峰 劉佳 郝晨偉

摘 要 本文針對含中心孔洞和含多孔復(fù)合材料結(jié)構(gòu)模型，利用Fibersim進(jìn)行鋪層設(shè)計并檢驗鋪層角度是否偏差，對于含中心孔洞復(fù)合材料結(jié)構(gòu)采用分區(qū)域鋪覆的設(shè)計方法進(jìn)行探究，發(fā)現(xiàn)可以達(dá)到在制造中節(jié)省材料成本的作用。將兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真失效計算同時與不開孔狀態(tài)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，得出失效比值。

關(guān)鍵詞 Fibersim；有限元仿真；復(fù)合材料；鋪層設(shè)計

Simulation of Tensile Properties of Composite

Structures Containing Holes

CHEN Yinghan， LIU Jiaqiu， YU Baifeng， LIU Jia， HAO Chenwei

（Harbin FRP Institute Co.，Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT In this paper， we use Fibersim to design the lay-up for center hole and porous composite structure model， check whether the layup angle is deviated or not， and explore the design method of lay-up by area for center pore composite structures， and find that it can achieve the role of saving the material cost in manufacturing. The two structures were subjected to simulated failure calculations while comparing them with the composite structure in the unopened state to derive the failure ratio.

KEYWORDS fibersim; finite element simulation; composite material; lay-up design

通訊作者：陳英函，碩士，助理工程師。研究方向為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真。E-mail：1374057740@qq.com

1 引言

航空航天領(lǐng)域中許多構(gòu)件由碳纖維復(fù)合材料制成［1］，其中由碳纖維復(fù)合材料制成的開孔板在復(fù)雜的服役環(huán)境下會引起應(yīng)力集中進(jìn)而產(chǎn)生損傷，這類損傷會導(dǎo)致構(gòu)件的服役壽命減退和降低承載能力［2-3］。因此，研究人員對含孔復(fù)合材料構(gòu)件進(jìn)行了進(jìn)一步的研究［4］。碳纖維復(fù)合材料開孔對力學(xué)性能影響較大［5-6］，因此對于復(fù)合材料開孔性能的研究極為重要，Khashaba［7］等通過實驗研究發(fā)現(xiàn)隨著碳纖維復(fù)合材料開孔尺寸的增加，復(fù)合材料的抗壓強度和剛度都會減小。卿光輝［8］等基于增強應(yīng)變理論建立了非協(xié)調(diào)廣義混合模型計算含孔復(fù)合材料層合板的應(yīng)力集中系數(shù)，所得模型計算結(jié)果好，精度高并具有適用性。王振興［9］等基于復(fù)合材料S-N曲線分析對比了在開孔情況和不開孔情況下的漿葉疲勞壽命，發(fā)現(xiàn)開孔情況會產(chǎn)生更大的應(yīng)力集中，從而影響槳葉的疲勞壽命。

Fibersim是一款處理復(fù)合材料鋪層復(fù)雜性問題的專業(yè)軟件［10］，能夠模擬復(fù)合材料鋪層真實角度偏差進(jìn)行改進(jìn)，本文利用Fibersim對含中心孔復(fù)合材料結(jié)構(gòu)以及含多孔復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行鋪層的設(shè)計及鋪層角度的查看校驗，分析了兩種結(jié)構(gòu)失效的最大載荷并與不開孔狀態(tài)下的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，得出失效比值。

2 含孔洞復(fù)合材料結(jié)構(gòu)

基于Fibersim與仿真軟件可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的特點，選取典型的含中心孔以及多孔復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行算例的仿真分析，材料屬性選取如表1所示。

失效準(zhǔn)則選用Tssi-Wu應(yīng)力準(zhǔn)則，根據(jù)該準(zhǔn)則，材料不發(fā)生破壞的條件如公式（1）所示。

F=F1σ1+F2σ2+F11σ21+F22σ22+F66τ212+2F12σ1σ2<1（1）

其中，各種強度指標(biāo)按照以下各式確定，如公式（2）所示。

F1=1Xt-1Xc

F2=1Yt-1Yc

F11=1XtXc

F22=1YtYc

F66=1S2

F12=F*12XtXcYtYc

（2）

其中，F(xiàn)*12的值在-1到1之間，一般選取-1/2。

2.1 含中心孔復(fù)合材料結(jié)構(gòu)

針對含中心孔復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，模型尺寸為300 mm×300 mm，中心含有直徑為150 mm的孔洞。

采用Fibersim對鋪貼面，邊界進(jìn)行提取，并利用點位定義鋪層原點和零度方向，其信息如圖2所示。

基于該構(gòu)型進(jìn)行復(fù)合材料鋪層的設(shè)計，鋪層角度設(shè)置為（0/45/-45/90）5s，復(fù)合材料單層厚度為0.05 mm，總共鋪層數(shù)為40層，整體厚度2 mm。對于每一層的鋪層設(shè)計，采用纖維影響因子的值為0.3，通過對鋪層角度仿真模擬真實鋪貼時角度是否偏差，如圖3（a）～3（d）所示分別顯示為在0°，45°，-45°，90°鋪層角度下的角度信息，信息顯示該模型的實際鋪層角度與理論鋪層角度無偏差。

由于在生產(chǎn)制造中，按圖3所示進(jìn)行預(yù)浸料準(zhǔn)備時會先利用下料機切出整體模型再去除中心圓形孔洞，這樣造成不必要的浪費，基于此對于各個角度進(jìn)行鋪層設(shè)計的優(yōu)化，給出如圖4所示建立基于區(qū)域劃分的鋪層設(shè)置。

查看基于分區(qū)鋪覆下的鋪層角度是否有偏差，優(yōu)化后的各鋪層角度信息如圖5所示，各個鋪層角度均無偏差。

對圖1所示的含中心孔洞復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，按圖5所示節(jié)省用料10%以上，并且隨著中心開孔直徑的增加，節(jié)省用料比率越高。同時針對此開孔結(jié)構(gòu)利用表1屬性進(jìn)行有限元仿真，網(wǎng)格劃分如圖6所示。

對模型采用下端固定約束，在上表面加載拉力作用，查看失效結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)加載力的大小為22437 N時模型出現(xiàn)首層失效，失效時觀察不同角度失效系數(shù)結(jié)果如圖7所示，并且發(fā)現(xiàn)失效發(fā)生在90°鋪層的孔洞附近位置。

將開孔模型與未開孔的模型做失效結(jié)果對比，對比結(jié)果如表2所示，含中心孔復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的首層失效載荷是未開孔結(jié)構(gòu)的0.347。

2.2 含多孔復(fù)合材料結(jié)構(gòu)

針對含多孔復(fù)合材料結(jié)構(gòu)示意如圖8所示，模型尺寸為200 mm×600 mm，含有三個直徑為100 mm的孔洞，孔間距為200 mm。

基于該構(gòu)型按照如含中心復(fù)合材料結(jié)構(gòu)鋪層進(jìn)行設(shè)計，鋪層的零度坐標(biāo)如圖9所示。

基于該構(gòu)型進(jìn)行復(fù)合材料鋪層的設(shè)計，鋪層角度設(shè)置為（0/45/-45/90）5s，復(fù)合材料單層厚度為0.05 mm，總共鋪層數(shù)為40層，整體厚度2 mm。對于每一層的鋪層設(shè)計，采用纖維影響因子的值為0.3，通過對鋪層角度仿真模擬真實鋪貼時角度是否偏差，如圖10（a）～10（d）所示，分別顯示為在0°，45°，-45°，90°鋪層角度下的角度信息，信息顯示該模型的實際鋪層角度與理論鋪層角度無偏差，同樣可以采用如含中心孔洞復(fù)合材料結(jié)構(gòu)相似的分區(qū)域鋪層設(shè)計方法以達(dá)到在制造中節(jié)省材料的目的。

對模型采用下端固定約束，在上表面加載拉力作用，查看失效結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)加載力的大小為54221N時模型出現(xiàn)首層失效，失效時觀察不同角度失效系數(shù)結(jié)果如圖11所示，并且發(fā)現(xiàn)失效發(fā)生在90°鋪層距邊線較近的孔洞邊緣位置。

將含多孔復(fù)合材料模型與未開孔的模型做失效結(jié)果對比，對比結(jié)果如表3所示，含中心孔復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的首層失效載荷是未開孔結(jié)構(gòu)的0.403。

3 結(jié)語

（1）利用Fibersim針對含中心孔復(fù)合材料進(jìn)行分區(qū)域的鋪層設(shè)計，節(jié)省材料在10%以上。

（2）將本文含中心孔洞復(fù)合材料和含多孔復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與未開孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比，其失效比值分別為0.347和0.403。

（3）本文采用首層失效進(jìn)行結(jié)果的判斷，只能作為單層失效的標(biāo)準(zhǔn)，不能反映結(jié)果的最終承載能力。

參 考 文 獻(xiàn)

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