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        復(fù)合材料π型結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究

        2014-11-10 22:38:05尹劍
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報 2014年20期
        關(guān)鍵詞:復(fù)合材料

        尹劍

        摘 要:采用PATRAN/NASTARN對復(fù)合材料多墻盒段中的π型結(jié)構(gòu)進(jìn)行線性有限元分析,得到π型結(jié)構(gòu)在拉伸載荷下的應(yīng)力分布及應(yīng)力集中部位,并對相同的π型結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力試驗,得到拉伸載荷下結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域及破壞模式,通過比較可知有限元分析及試驗分析的結(jié)果具有較好的一致性。

        關(guān)鍵詞:復(fù)合材料 多墻結(jié)構(gòu) π型結(jié)構(gòu)

        中圖分類號:TB330.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2014)07(b)-0024-02

        隨著復(fù)合材料在民用飛機(jī)上的應(yīng)用的深入,逐漸意識到傳統(tǒng)的以緊固件連接為主的設(shè)計/制造觀念及方法在很大程度上已無法滿足民機(jī)在經(jīng)濟(jì)性、舒適性等方面的需求。然而可以通過無需機(jī)械緊固件連接的方式(如共膠接/共固化等)將不同零件成型為一體,避免了大量的緊固件,從而達(dá)到減重以及簡化使用維護(hù)的目的。某型民機(jī)復(fù)合材料水平安定面主盒段采取多墻結(jié)構(gòu)形式,其中的墻結(jié)構(gòu)與壁板結(jié)構(gòu)通過與π型長桁共膠接的方式進(jìn)行連接。目前對這種結(jié)構(gòu)形式的研究主要集中在多墻結(jié)構(gòu)加筋壁板的穩(wěn)定性方面[1-4],而對壁板蒙皮與墻之間的π型長桁共膠接的連接分析尚無成熟的方法,本文對π型結(jié)構(gòu)連接形式進(jìn)行有限元研究,并進(jìn)行了相應(yīng)試驗,試驗結(jié)果表明有限元分析與試驗具有較高的一致性。

        1 有限元分析

        某型民機(jī)復(fù)合材料多墻結(jié)構(gòu)水平安定面盒段中的π型長桁結(jié)構(gòu)如圖1所示,π型長桁與蒙皮共固化成型,然后與墻結(jié)構(gòu)通過二次膠結(jié)成型。其中復(fù)合材料蒙皮及π型長桁材料為T700/BA9916級單向帶,單層厚度為0.125 mm,墻結(jié)構(gòu)為蜂窩夾層結(jié)構(gòu),厚度為5 mm,填充區(qū)為T700/BA9916級材料的0°纖維束。

        根據(jù)π型結(jié)構(gòu)的成型特點,有限元分析模型的幾何尺寸分別取寬120 mm、高95 mm,π型長桁鋪層為(45/90/-45)S。在模型中π型長桁采用殼元(PSHELL)模擬,蒙皮、墻結(jié)構(gòu)及填充區(qū)采用實體單元(HEX8)模擬,模型中使用的T700/BA9916級材料及蜂窩芯的力學(xué)性能如表1所示。

        根據(jù)π型結(jié)構(gòu)的實際受力特點,對模型中的墻結(jié)構(gòu)施加拉伸載荷,在蒙皮兩側(cè)進(jìn)行固支約束,有限元模型如圖2所示。

        利用MSC/NASTRAN進(jìn)行線性求解,得到π型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果,如圖3所示。

        從應(yīng)力應(yīng)變云圖中可以看出,在外載荷作用下,π型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中部位出現(xiàn)在π型長桁與蒙皮之間的三角填充區(qū)處。

        2 試驗分析

        試驗件鋪層以及幾何尺寸與有限元分析模型相同。通過夾具固支試驗件兩側(cè)蒙皮,并通過加載試驗機(jī)夾頭夾住試驗件蜂窩墻,墻的夾持區(qū)域貼有玻璃纖維補強(qiáng)片,加載試驗機(jī)以0.5 mm/min的加載速度對試驗件連續(xù)加載直至試驗件破壞。

        π型結(jié)構(gòu)試件在拉脫載荷作用下,在π形長桁填充區(qū)的圓弧外邊緣最先出現(xiàn)分層,然后由填充區(qū)的起始損傷處向周圍擴(kuò)展,最終擴(kuò)展到π形長桁/蒙皮之間的結(jié)合界面的臨近層,并導(dǎo)致試驗件的最終破壞,圖4為2#試驗件的加載過程。

        3 結(jié)語

        通過對π型結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元及試驗分析,可以得到如下結(jié)論:

        (1)對于拉脫載荷作用下,通過有限元及試驗分析均可得到,π型結(jié)構(gòu)的薄弱部位位于填充區(qū),兩種分析的結(jié)果較為一致。

        (2)對于拉脫試驗,由于膠層的強(qiáng)度高于復(fù)合材料的層間強(qiáng)度,起始損傷基本都在填充區(qū)的邊緣產(chǎn)生,最終失效位置出現(xiàn)在最靠近與蒙皮膠接的膠接界面的π形連接元件的45°層、0°層及-45°層的層間,結(jié)構(gòu)的承載能力最終取決于復(fù)合材料層壓板的層間強(qiáng)度。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 中國航空研究院.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析指南[M].北京:航空工業(yè)出版社, 2002.

        [2] 崔德剛.結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計手冊[M].北京:航空工業(yè)出版社,1996:203-228.

        [3] 孫曉峰,張志民.復(fù)合材料多墻式結(jié)構(gòu)非線性穩(wěn)定性分析[J].復(fù)合材料學(xué)報,2001,18(3):119-123.

        [4] 白瑞祥,陳浩然,王蔓.含分層損傷復(fù)合材料加筋層合板的動承載能力[J].復(fù)合材料學(xué)報,2005,22(1):139-144.

        摘 要:采用PATRAN/NASTARN對復(fù)合材料多墻盒段中的π型結(jié)構(gòu)進(jìn)行線性有限元分析,得到π型結(jié)構(gòu)在拉伸載荷下的應(yīng)力分布及應(yīng)力集中部位,并對相同的π型結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力試驗,得到拉伸載荷下結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域及破壞模式,通過比較可知有限元分析及試驗分析的結(jié)果具有較好的一致性。

        關(guān)鍵詞:復(fù)合材料 多墻結(jié)構(gòu) π型結(jié)構(gòu)

        中圖分類號:TB330.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2014)07(b)-0024-02

        隨著復(fù)合材料在民用飛機(jī)上的應(yīng)用的深入,逐漸意識到傳統(tǒng)的以緊固件連接為主的設(shè)計/制造觀念及方法在很大程度上已無法滿足民機(jī)在經(jīng)濟(jì)性、舒適性等方面的需求。然而可以通過無需機(jī)械緊固件連接的方式(如共膠接/共固化等)將不同零件成型為一體,避免了大量的緊固件,從而達(dá)到減重以及簡化使用維護(hù)的目的。某型民機(jī)復(fù)合材料水平安定面主盒段采取多墻結(jié)構(gòu)形式,其中的墻結(jié)構(gòu)與壁板結(jié)構(gòu)通過與π型長桁共膠接的方式進(jìn)行連接。目前對這種結(jié)構(gòu)形式的研究主要集中在多墻結(jié)構(gòu)加筋壁板的穩(wěn)定性方面[1-4],而對壁板蒙皮與墻之間的π型長桁共膠接的連接分析尚無成熟的方法,本文對π型結(jié)構(gòu)連接形式進(jìn)行有限元研究,并進(jìn)行了相應(yīng)試驗,試驗結(jié)果表明有限元分析與試驗具有較高的一致性。

        1 有限元分析

        某型民機(jī)復(fù)合材料多墻結(jié)構(gòu)水平安定面盒段中的π型長桁結(jié)構(gòu)如圖1所示,π型長桁與蒙皮共固化成型,然后與墻結(jié)構(gòu)通過二次膠結(jié)成型。其中復(fù)合材料蒙皮及π型長桁材料為T700/BA9916級單向帶,單層厚度為0.125 mm,墻結(jié)構(gòu)為蜂窩夾層結(jié)構(gòu),厚度為5 mm,填充區(qū)為T700/BA9916級材料的0°纖維束。

        根據(jù)π型結(jié)構(gòu)的成型特點,有限元分析模型的幾何尺寸分別取寬120 mm、高95 mm,π型長桁鋪層為(45/90/-45)S。在模型中π型長桁采用殼元(PSHELL)模擬,蒙皮、墻結(jié)構(gòu)及填充區(qū)采用實體單元(HEX8)模擬,模型中使用的T700/BA9916級材料及蜂窩芯的力學(xué)性能如表1所示。

        根據(jù)π型結(jié)構(gòu)的實際受力特點,對模型中的墻結(jié)構(gòu)施加拉伸載荷,在蒙皮兩側(cè)進(jìn)行固支約束,有限元模型如圖2所示。

        利用MSC/NASTRAN進(jìn)行線性求解,得到π型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果,如圖3所示。

        從應(yīng)力應(yīng)變云圖中可以看出,在外載荷作用下,π型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中部位出現(xiàn)在π型長桁與蒙皮之間的三角填充區(qū)處。

        2 試驗分析

        試驗件鋪層以及幾何尺寸與有限元分析模型相同。通過夾具固支試驗件兩側(cè)蒙皮,并通過加載試驗機(jī)夾頭夾住試驗件蜂窩墻,墻的夾持區(qū)域貼有玻璃纖維補強(qiáng)片,加載試驗機(jī)以0.5 mm/min的加載速度對試驗件連續(xù)加載直至試驗件破壞。

        π型結(jié)構(gòu)試件在拉脫載荷作用下,在π形長桁填充區(qū)的圓弧外邊緣最先出現(xiàn)分層,然后由填充區(qū)的起始損傷處向周圍擴(kuò)展,最終擴(kuò)展到π形長桁/蒙皮之間的結(jié)合界面的臨近層,并導(dǎo)致試驗件的最終破壞,圖4為2#試驗件的加載過程。

        3 結(jié)語

        通過對π型結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元及試驗分析,可以得到如下結(jié)論:

        (1)對于拉脫載荷作用下,通過有限元及試驗分析均可得到,π型結(jié)構(gòu)的薄弱部位位于填充區(qū),兩種分析的結(jié)果較為一致。

        (2)對于拉脫試驗,由于膠層的強(qiáng)度高于復(fù)合材料的層間強(qiáng)度,起始損傷基本都在填充區(qū)的邊緣產(chǎn)生,最終失效位置出現(xiàn)在最靠近與蒙皮膠接的膠接界面的π形連接元件的45°層、0°層及-45°層的層間,結(jié)構(gòu)的承載能力最終取決于復(fù)合材料層壓板的層間強(qiáng)度。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 中國航空研究院.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析指南[M].北京:航空工業(yè)出版社, 2002.

        [2] 崔德剛.結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計手冊[M].北京:航空工業(yè)出版社,1996:203-228.

        [3] 孫曉峰,張志民.復(fù)合材料多墻式結(jié)構(gòu)非線性穩(wěn)定性分析[J].復(fù)合材料學(xué)報,2001,18(3):119-123.

        [4] 白瑞祥,陳浩然,王蔓.含分層損傷復(fù)合材料加筋層合板的動承載能力[J].復(fù)合材料學(xué)報,2005,22(1):139-144.

        摘 要:采用PATRAN/NASTARN對復(fù)合材料多墻盒段中的π型結(jié)構(gòu)進(jìn)行線性有限元分析,得到π型結(jié)構(gòu)在拉伸載荷下的應(yīng)力分布及應(yīng)力集中部位,并對相同的π型結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力試驗,得到拉伸載荷下結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域及破壞模式,通過比較可知有限元分析及試驗分析的結(jié)果具有較好的一致性。

        關(guān)鍵詞:復(fù)合材料 多墻結(jié)構(gòu) π型結(jié)構(gòu)

        中圖分類號:TB330.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1674-098X(2014)07(b)-0024-02

        隨著復(fù)合材料在民用飛機(jī)上的應(yīng)用的深入,逐漸意識到傳統(tǒng)的以緊固件連接為主的設(shè)計/制造觀念及方法在很大程度上已無法滿足民機(jī)在經(jīng)濟(jì)性、舒適性等方面的需求。然而可以通過無需機(jī)械緊固件連接的方式(如共膠接/共固化等)將不同零件成型為一體,避免了大量的緊固件,從而達(dá)到減重以及簡化使用維護(hù)的目的。某型民機(jī)復(fù)合材料水平安定面主盒段采取多墻結(jié)構(gòu)形式,其中的墻結(jié)構(gòu)與壁板結(jié)構(gòu)通過與π型長桁共膠接的方式進(jìn)行連接。目前對這種結(jié)構(gòu)形式的研究主要集中在多墻結(jié)構(gòu)加筋壁板的穩(wěn)定性方面[1-4],而對壁板蒙皮與墻之間的π型長桁共膠接的連接分析尚無成熟的方法,本文對π型結(jié)構(gòu)連接形式進(jìn)行有限元研究,并進(jìn)行了相應(yīng)試驗,試驗結(jié)果表明有限元分析與試驗具有較高的一致性。

        1 有限元分析

        某型民機(jī)復(fù)合材料多墻結(jié)構(gòu)水平安定面盒段中的π型長桁結(jié)構(gòu)如圖1所示,π型長桁與蒙皮共固化成型,然后與墻結(jié)構(gòu)通過二次膠結(jié)成型。其中復(fù)合材料蒙皮及π型長桁材料為T700/BA9916級單向帶,單層厚度為0.125 mm,墻結(jié)構(gòu)為蜂窩夾層結(jié)構(gòu),厚度為5 mm,填充區(qū)為T700/BA9916級材料的0°纖維束。

        根據(jù)π型結(jié)構(gòu)的成型特點,有限元分析模型的幾何尺寸分別取寬120 mm、高95 mm,π型長桁鋪層為(45/90/-45)S。在模型中π型長桁采用殼元(PSHELL)模擬,蒙皮、墻結(jié)構(gòu)及填充區(qū)采用實體單元(HEX8)模擬,模型中使用的T700/BA9916級材料及蜂窩芯的力學(xué)性能如表1所示。

        根據(jù)π型結(jié)構(gòu)的實際受力特點,對模型中的墻結(jié)構(gòu)施加拉伸載荷,在蒙皮兩側(cè)進(jìn)行固支約束,有限元模型如圖2所示。

        利用MSC/NASTRAN進(jìn)行線性求解,得到π型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果,如圖3所示。

        從應(yīng)力應(yīng)變云圖中可以看出,在外載荷作用下,π型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中部位出現(xiàn)在π型長桁與蒙皮之間的三角填充區(qū)處。

        2 試驗分析

        試驗件鋪層以及幾何尺寸與有限元分析模型相同。通過夾具固支試驗件兩側(cè)蒙皮,并通過加載試驗機(jī)夾頭夾住試驗件蜂窩墻,墻的夾持區(qū)域貼有玻璃纖維補強(qiáng)片,加載試驗機(jī)以0.5 mm/min的加載速度對試驗件連續(xù)加載直至試驗件破壞。

        π型結(jié)構(gòu)試件在拉脫載荷作用下,在π形長桁填充區(qū)的圓弧外邊緣最先出現(xiàn)分層,然后由填充區(qū)的起始損傷處向周圍擴(kuò)展,最終擴(kuò)展到π形長桁/蒙皮之間的結(jié)合界面的臨近層,并導(dǎo)致試驗件的最終破壞,圖4為2#試驗件的加載過程。

        3 結(jié)語

        通過對π型結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元及試驗分析,可以得到如下結(jié)論:

        (1)對于拉脫載荷作用下,通過有限元及試驗分析均可得到,π型結(jié)構(gòu)的薄弱部位位于填充區(qū),兩種分析的結(jié)果較為一致。

        (2)對于拉脫試驗,由于膠層的強(qiáng)度高于復(fù)合材料的層間強(qiáng)度,起始損傷基本都在填充區(qū)的邊緣產(chǎn)生,最終失效位置出現(xiàn)在最靠近與蒙皮膠接的膠接界面的π形連接元件的45°層、0°層及-45°層的層間,結(jié)構(gòu)的承載能力最終取決于復(fù)合材料層壓板的層間強(qiáng)度。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 中國航空研究院.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析指南[M].北京:航空工業(yè)出版社, 2002.

        [2] 崔德剛.結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計手冊[M].北京:航空工業(yè)出版社,1996:203-228.

        [3] 孫曉峰,張志民.復(fù)合材料多墻式結(jié)構(gòu)非線性穩(wěn)定性分析[J].復(fù)合材料學(xué)報,2001,18(3):119-123.

        [4] 白瑞祥,陳浩然,王蔓.含分層損傷復(fù)合材料加筋層合板的動承載能力[J].復(fù)合材料學(xué)報,2005,22(1):139-144.

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