【摘 要】為了研究鋪層順序?qū)?fù)合材料結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的影響，基于有限元軟件Patran/Nastran，通過改變層間夾角、鋪層比等參數(shù)，對比結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度的變化情況。利用損傷變量來定義結(jié)構(gòu)整體的承載能力降低，有限元結(jié)果對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出優(yōu)化建議。

【關(guān)鍵詞】鋪層順序 復(fù)合材料 強(qiáng)度

一、有限元數(shù)值模擬

（一）有限元建模

選用復(fù)合材料機(jī)翼結(jié)構(gòu)作為有限元數(shù)值模擬對象，機(jī)翼主要采用復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)，整個機(jī)翼結(jié)構(gòu)包括7980個節(jié)點(diǎn)，8944個單元。其中有7798個quad4單元，944個cifhex單元，40個tria3單元，162個beam單元。復(fù)合材料外翼結(jié)構(gòu)所受的載荷主要為氣動載荷，以分布力的形式加在機(jī)翼的上下表面。外翼根部采用固支約束，主要是把上下蒙皮及梁腹板上的位移約束為零。

（二）有限元結(jié)果

機(jī)翼結(jié)構(gòu)在非線性分析下位移云圖如圖1所示，結(jié)構(gòu)整體產(chǎn)生Z方向的位移，其中翼尖處位移最大。結(jié)構(gòu)內(nèi)部單元出現(xiàn)損傷，其損傷通過損傷變量模擬。損傷變量主要用于表征材料在出現(xiàn)初始損傷后到完全破壞的過程中損傷程度。當(dāng)損傷變量等于0時，材料沒有出現(xiàn)損傷，當(dāng)損傷變量等于1時，材料完全損傷。因此，可以通過損傷變量的數(shù)值來判斷結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度是否到達(dá)。

圖1機(jī)翼結(jié)構(gòu)位移云圖

二、鋪層順序?qū)O限強(qiáng)度的影響

鋪層順序是鋪層方向沿層壓板在厚度方向的描述，在所選的方向上鋪層數(shù)越多，可能的鋪層順序就越多。有限元分析中，把復(fù)合材料性能作為鋪層順序的函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化時，就要提供一種鋪層順序的狀態(tài)，層合板結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能如剛度、穩(wěn)定性、強(qiáng)度等都與鋪層順序有關(guān)。本小節(jié)在不改變材料及膠層性能的情況下，研究對象選用第三章機(jī)翼結(jié)構(gòu)模型的下蒙皮翼根處，其鋪層方式為[45/-45/0/45/90/-45/0/45/90/-45/0]s，針對最早出現(xiàn)損傷的部分單元及整體結(jié)構(gòu)的破壞載荷變化，從層間夾角及鋪層方向等方面研究鋪層順序?qū)δz接件極限強(qiáng)度的影響。

（一）層間夾角對極限強(qiáng)度的影響

研究層間夾角主要是通過改變上下兩個單層板纖維之間的夾角，利用有限元軟件分別計(jì)算了層間夾角為[04θ304]s時單元的損傷變量，其中θ從15°開始，每15°遞增一次至90°。在不同層間夾角下，單元損傷變量也隨之變化。

（二）鋪層比對極限強(qiáng)度的影響

鋪層比即為各鋪層角度在總鋪層數(shù)上所占的比值。在機(jī)翼模型結(jié)果的基礎(chǔ)上分別增大0°方向鋪層比、45°方向鋪層比和90°方向鋪層比，通過實(shí)驗(yàn)表明增大45°方向的鋪層比能夠較好的降低單元的損傷變量，提高結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度，主要原因是該處單元受剪切載荷及拉伸載荷作用較多。

（三）鋪層順序?qū)O限強(qiáng)度影響的綜合研究

前面分別對層間夾角及鋪層比對極限強(qiáng)度的影響進(jìn)行了單獨(dú)研究。而在實(shí)際損傷過程中，層合板力學(xué)性能是由多個因素共同作用決定的。因此需要對多種因素作用下的鋪層順序進(jìn)行綜合研究。

1.改變表面鋪層方向，單元的損傷變量增大，結(jié)構(gòu)的極限強(qiáng)度減?。?/p>

2.在機(jī)翼根部增大45°方向鋪層效果優(yōu)于增大0°方向鋪層效果，同時0°方向鋪層也是增加極限強(qiáng)度的重要因素。

3.在選用過多的90°鋪層，沒有給層合板整體強(qiáng)度作太多貢獻(xiàn)，同時在相鄰單層板之間的層間夾角偏差過大。

4.在第三條因素條件下增大了±45°鋪層比，有效降低了單元的損傷變量，變量值小于原鋪層方案，達(dá)到了膠接件結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。

三、總結(jié)

通過研究鋪層順序?qū)O限強(qiáng)度的影響，可以得到以下設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：層合板表面應(yīng)選取±45°方向鋪層，對于機(jī)翼根部，應(yīng)適當(dāng)增加±45°方向鋪層；對于整體受彎矩作用的機(jī)翼結(jié)構(gòu)，90°方向鋪層對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的貢獻(xiàn)較小，可以適當(dāng)減少該方向鋪層；在兩個相鄰層間，層間夾角不宜過大，角度偏差應(yīng)控制在45°以內(nèi)，鋪層角應(yīng)均勻分布。

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