基于纖維增強復合材料的懸臂梁屈曲分析

刊名：Composite Structures（英）

刊期：2015年第122期

作者：Chun Wee Yap et al

編譯：陳丁躍

為在汽車行業(yè)應用纖維增強復合材料，則需要對易發(fā)生分層的纖維增強復合材料進行屈曲分析，即確定屈曲載荷。以懸臂梁為例，建立了懸臂梁發(fā)生分層時臨界載荷的數(shù)學模型，并使用纖維增強復合材料制造了一個懸臂梁樣品，通過試驗對所建模型進行了驗證。

介紹了經(jīng)典的層合板理論，并作出3種不同的假設。假設1：相比于懸臂梁的長度，懸臂梁的橫截面尺寸非常小、材料為線彈性且撓度較小。假設2：懸臂梁上點的撓度只取決于該點在懸臂梁縱向上的位置，與該點在橫向和垂向上的位置無關。假設3：懸臂梁上點的撓度只取決于該點在懸臂梁縱向和垂向上的位置，與該點在橫向上的位置無關。針對每種假設，基于斷裂力學模型分別給出了計算纖維增強復合材料懸臂梁屈曲載荷的數(shù)學模型。數(shù)學模型包含了邊界條件、力平衡方程、力矩平衡方程以及運動特性在內(nèi)的18個方程。通過試驗對所建數(shù)學模型進行驗證。纖維增強復合材料懸臂梁采用碳纖維/環(huán)氧樹脂、硼/環(huán)氧樹脂和E-玻璃纖維/環(huán)氧樹脂3種正交異性材料進行制造。3種材料構(gòu)成不同的纖維層，所制造懸臂梁共包含16層，尺寸為140mm×20mm×2mm。其中，有效長度為100mm，多余的40mm方便測試夾持。沖擊試驗采用Instron 5565沖擊試驗機，分別對完整的和發(fā)生分層的懸臂梁進行沖擊試驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，試驗得到的屈曲載荷與所建模型計算得到的結(jié)果一致，因而可用建立的模型進行纖維增強復合材料屈曲載荷的計算。