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复合材料薄壁箱形梁的设计和强度分析

发布于:2016-05-08 18:54
强度分析

      一根由单向玻璃纤维增强环氧树脂的复合材料矩形截面梁,当其承盛三点弯曲时,其抗拉、抗压强度都能得到充分发挥,但抗层间剪切强度低是致命弱点。在大荷载情况下往往由于剪切强度的不足而使梁完全破坏。实际上,由于受压区的损伤、导致损伤后应力重分布,以致发生剪切破坏的可能性还要严重得多,所以需要对其进行详细的强度分析
      当梁的跨长一定时,为了使梁的抗压及抗剪切强度同时满足,由材料力学公式得梁高H,跨长L比是一个定值H/L=2rB。因此,想通过增加矩形载面梁的高度来提高梁的承载力是有一定限度的。
      由于复合材料纤维铺设方向、次序的不同会影响其强度的高低,因此可用450纤维缠绕,再用玻璃纤维或碳纤维增强梁的上、下翼板制成薄壁箱形梁,该梁用料少、重量轻,具有高的抗拉、抗压强度,又有高的抗剪切强度,因而梁的承载力可有较大的提高。英国NEL研究中心目前已研制成由增强塑料箱形梁构成的弹簧悬挂系统,也安装于汽车上代替锅板簧,箱形梁由缠绕和铺设工艺制作而成。先制作石膏芯模(或钢模),在芯模上450缠绕予浸环氧树脂的玻璃纤维,在上、下翼板沿轴线方向再铺设予浸过氧树脂的单向玻璃布或碳布。
      由于单向玻璃布增强塑料的抗拉、抗压强度不等,因此单向布增强翼板的厚度在受拉、受压区可设计得不同。挂样设计的箱形梁经固化、脱模后即可使用。在弯曲时450铺层的腹板可满足抗剪切强度,450铺层的翼板可满足抗拉、抗压强度。
      由于梁的翼板壁厚较薄,箱形梁三点加载弯曲时,跨中的集中荷载会使局部损坏而导致实验失败,为此在梁的跨中衬垫钢环(实际使用中,受力处也应加衬垫),在加载处垫一定厚度的橡皮,使在环长范围内的荷载均布。衬垫及加载装置见图,有衬垫的45,薄壁箱形梁用解析法求承受弯曲应力的解较难,因此用有限元分析法进行应力分析。
      考虑到箱形梁的翼板和腹板有二个方向的弯曲变形,因此选用壳单元。利用对称性,取四分之一梁的单元网格划分及边界条件见图。这里的关键问题是如何处理分别位于箱形梁和衬垫上一对节点之间的位移连续条件。假定变形前接触的一对节点之间有一很小的距离s,虚设的连杆约束在一起。变形后,对虚设连杆出现拉应力的一对节点则认为应脱离接触,解除约束,经多次重复计算以后,确定了梁与衬垫之间应保持法向位移连续的一些节点,在图中用粗黑点及X号表示出来。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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