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层合板在拉伸载荷作用下的强度分析

发布于:2016-12-02 20:06
强度分析

      复合材料结构在飞机中的应用已经有近40年的历史,目前民用飞机复合材料的使用范围从舱门等部件逐渐扩大到了主翼盒等主承力部件。随着复合材料在飞机结构质量中所占比例的增大,很多的主承力件、次承力件和整流罩的复合材料结构上出现了一些需要预埋金属件的部位,某些军用结构上也出现了金属预埋件。层合板中金属预埋件埋置方式的相关研究工作国内开展较少,由于金属与纤维增强树脂的材料特性差别较大,刚度的不连续势必造成在预埋件与母体层合板的界面上出现较为严重的应力集中现象。对于疲劳载荷作用下的航空结构,应力集中会极大地影响结构的疲劳寿命,使结构的使用寿命下降。另外由于金属预埋件与母体纤维增强材料的界面上是由树脂粘接,该处的强度主要决定于基体材料性能,这将进一步限制预埋件结构的承载能力。为了将金属件埋入层合板,需要在铺层前对预浸料或纤维布进行切割,这将导致结构中的增强纤维存在先天的不连续特征,纤维断面若与预埋金属件粘接不好,易在界面上造成母版本身的孔边上产生分层现象。
      为了尽量减小以上问题对含预埋件层合板结构强度的影响,需要通过数值仿真的方法研究不同埋置方式对结构强度分析,在结构进入制造阶段之前对结构的承载能力进行预测,对不同埋置方式下结构的强度进行对比,找到较佳的预埋件设计方案。1982年Mathews采用有限元分析对纤维增强树脂结构中的接头强度进行了研究,1985年HartSmith分析后认为粘接结构的强度主要决定于搭接区域的长度和金属件的细节设计,1986年Baker阐述了先进复合材料的若干连接问题,1988年Baker阐述了复合材料损伤维修的主要方法,Kieger阐述了飞机粘接主结构的应力分析方法,1989年CroBombe提出将整体屈曲作为粘接接头的失效准则,1993年Chalkly阐述了采用复合材料对金属结构进行维修的方法和理论,2002年Kradinov采用螺栓连接补片对含孔复合材料壁板进行了维修。从国内外的相关文献来看,对复合材料和金属粘接问题的研究较多,但尚没有对层合板中预埋金属件结构进行分析的文章。本研究采用有限元方法对含金属预埋件碳纤维层合板在单向拉伸载荷作用下的强度进行了分析,建立了三维分析模型,给出了两种预埋件形式下的层合板初始强度、损伤位置和模式。
      根据弹性力学结论和飞机结构中的使用情况,选择了两种典型的埋置方式进行了建模和分析,即含圆柱形金属预埋件的层合板和含阶梯形金属预埋件层合板,每个单层板建为一个体元,对三维层合板结构进行精确建模。图所示为圆柱形预埋件层合板中心区剖视图,图为阶梯形预埋件层合板中心区剖视图。两个分析模型均为正方形碳纤维增强树脂层合板,材料为(T300/QY8911),边长为0.2m,中心有一个铝合金(LY12)预埋件。层合板的铺层顺序均为(450/450/00/900/00),每个单层的厚度为0.15mm,总厚度为1.5mm。层合板的约束条件如图所示,左下角边缘约束三个线自由度,左边界约束X方向线自由度,右边界施加均布拉应力1.0Pa,形成单向拉伸加载状态。将每个单层板假设为正交各向异性材料,刚度参数。
      采用4节点四面体单元对两个分析模型进行了网格划分,保证每个单层板之间以及单层板和金属预埋件界面上的位移连续性。由于单层板厚度方向尺度远小于长度和宽度方向尺寸,因此在确定有限元网格尺寸时,应以厚度方向尺寸作为参考标准,否则容易出现单元畸形,导致刚度矩阵奇异。但这会导致较大的结构总自由度数,但相对于二维模型来说,从几何和物理两方面都极大地提高了对三维结构进行分析计算的仿真度。图依次给出了圆柱形预埋件层合板中心区的网格图和阶梯形金属预埋件的有限元网格。经典层合板理论中,复合材料单层板的强度准则一般采用Hill-蔡强度理论或蔡-吴张量强度理论,这两种强度理论适用于平面应力状态的单层板。复合材料层合板的损伤模式主要包括纤维断裂、基体断裂、纤维失稳、分层等形式。当某层中发生某种模式的损伤时,结构并未完全失去承载能力,其剩余强度仍然能够承受一定的载荷,因此前述两种强度准则是针对复合材料层合板的总体强度而言的。


                                                                                  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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