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        縫紉泡沫夾層結(jié)構(gòu)剛度研究

        2017-08-08 13:38:09馬元春
        科技與創(chuàng)新 2017年15期
        關(guān)鍵詞:單元體縫紉夾層

        馬元春

        (中航工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心,北京101300;中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司,北京101300)

        縫紉泡沫夾層結(jié)構(gòu)剛度研究

        馬元春

        (中航工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心,北京101300;中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司,北京101300)

        傳統(tǒng)的復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)雖然優(yōu)點(diǎn)明顯,應(yīng)用較廣泛,但其橫向性能弱,抗沖擊能力差,由沖擊載荷確定的設(shè)計(jì)許用值偏低。為了提高其結(jié)構(gòu)效率,并進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用范圍,2001年Uath大學(xué)的stanley L.E.等人提出了縫紉復(fù)合材料泡沫夾層板的新概念。數(shù)據(jù)表明,縫紉對提高泡沫夾層結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度,尤其是剪切強(qiáng)度的效果是十分明顯的。近年來,學(xué)者對這種新型結(jié)構(gòu)作了一些試驗(yàn)和有限元分析?;诓牧霞?xì)觀結(jié)構(gòu),建立了縫紉復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)的剛度預(yù)測模型。采用改進(jìn)的DPS方法計(jì)算了縫紉復(fù)合材料層合面板的剛度,采用串并聯(lián)組合模型計(jì)算了縫紉泡沫夾層的剛度。

        縫紉;復(fù)合材料;泡沫夾層結(jié)構(gòu);剛度

        本文旨在對這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度方面的分析,力求簡單實(shí)用,為工程應(yīng)用打下基礎(chǔ)。將縫紉復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)分成2部分:縫紉復(fù)合材料面板和縫紉泡沫夾層。以下分別予以討論。

        1 縫紉復(fù)合材料面板理論分析

        對于縫紉復(fù)合材料板的剛度分析模型已經(jīng)有很多,燕瑛等對此作了總結(jié),但這些模型都存在一定的缺陷。本文在相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,提出了改進(jìn)的DPS模型,用于改正原模型中局部纖維體積含量超過100%,整個(gè)針距范圍內(nèi)纖維全部彎曲等與實(shí)際情況不符的缺陷。

        縫紉復(fù)合材料層壓板改進(jìn)的DPS模型如圖1所示。其中,D,P,S分別代表縫合纖維的等效圓孔直徑、縫合的針距和縫合的行距。

        L代表在針距方向受縫紉影響的纖維彎曲區(qū)域,L=D·ctanθ.如果L<P,則取出典型單元體如圖2所示,其中,L區(qū)域?yàn)槔w維彎曲區(qū)域,P-L區(qū)域?yàn)槲词芸p線影響區(qū);如果L=P,則取出典型單元體如圖3所示,所有針距區(qū)域都恰為纖維彎曲區(qū)域;如果L>P,則取出典型單元體如圖4所示。所有針距區(qū)域都為纖維彎曲區(qū)域。

        圖1 縫紉單層板改進(jìn)的DPS模型

        圖2 L<P時(shí)的單元體模型

        圖3 L=P時(shí)的單元體模型

        圖4 L>P時(shí)的單元體模型

        對L<P情況進(jìn)行了研究。此時(shí),P-L區(qū)域由于未受縫線影響,其剛度就是層合板剛度。只需對L區(qū)域分析,從圖2中提取L區(qū)域最小單元體,如圖5所示。

        圖5 最小單元體模型

        將du沿u方向進(jìn)行積分,求出L區(qū)域的偏軸工程常數(shù):

        由于P-L區(qū)域未受縫線影響,采用材料力學(xué)細(xì)觀分析方法可得整個(gè)單元體的工程常數(shù):

        這是縫紉復(fù)合材料單層板的工程常數(shù)預(yù)測公式。在此基礎(chǔ)上,利用轉(zhuǎn)軸公式可求得縫紉復(fù)合材料層合板的等效模量。按照同樣的思路,我們可以求得L=P時(shí)的剛度。對于L>P來說,其工程常數(shù)預(yù)測形式需要根據(jù)實(shí)際計(jì)算結(jié)果更改公式中的積分下限。

        2 縫紉泡沫夾層理論分析

        將圖6所示縫紉夾芯的單胞分成幾個(gè)不同區(qū)域,如圖7所示,其中,a區(qū)為縫線樹脂柱,其余區(qū)域均為泡沫。設(shè)各部分的體積和x方向彈性模量分別為Vi和Ei(i=a,b,…,f),f為a,b和d三部分的組合區(qū)域,且在x方向,有:

        式(1)中:Ep和Em分別為泡沫和樹脂的彈性模量。

        圖6 縫紉泡沫夾芯單胞

        圖7 串并聯(lián)組合模型

        其余模量分量的推導(dǎo)過程類似,不再贅述,這里僅給出最終計(jì)算公式為:

        其中,v1′=2rn/n,v2′=1-v1′.

        3 縫紉泡沫夾層理論分析

        基于得到的縫紉面板和縫紉泡沫夾芯的模量,將縫紉泡沫夾芯復(fù)合材料結(jié)構(gòu)看成是由一個(gè)縫紉泡沫夾芯和縫紉面板組成的3層結(jié)構(gòu),在面內(nèi)方向采用等應(yīng)變假設(shè),在厚度方向采用等應(yīng)力假設(shè),即可得到由縫紉面板和縫紉泡沫夾芯組成的縫紉復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的等效剛度預(yù)測公式。

        需要指出的是,由于縫紉面板和縫紉泡沫夾層的剛度相差很大,我們可以根據(jù)實(shí)際計(jì)算需求進(jìn)行適當(dāng)取舍,比如求面內(nèi)拉壓剛度時(shí),可以忽略縫紉泡沫夾層的剛度;求面外壓縮和面內(nèi)剪切剛度時(shí),可以忽略縫紉面板的剛度。

        4 結(jié)論

        本文將縫紉復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)分成縫紉面板和縫紉夾層2部分,對縫紉面板采用改進(jìn)的DPS模型進(jìn)行了模擬,對縫紉夾層采用串并聯(lián)組合方法進(jìn)行了模擬。這種模擬可以較準(zhǔn)確地預(yù)測縫紉復(fù)合材料泡沫夾層板剛度。

        [1]楊敏超.某型飛機(jī)垂尾前緣抗鳥撞減重設(shè)計(jì)[J].科技與創(chuàng)新,2017(08).

        [2]楊敏超.復(fù)合材料儲(chǔ)能飛輪包容環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].科學(xué)家,2017,4(05).

        [3]飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊總編委.飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊[M].北京:航空工業(yè)出版社,2001.

        [4]于芳,燕瑛.縫合復(fù)合材料彈性常數(shù)細(xì)觀力學(xué)模型的分析比較[J].宇航材料工藝,2007(1):36-39.

        [5]李晨,許希武.縫合復(fù)合材料層板面內(nèi)局部纖維彎曲模型及剛度預(yù)報(bào)[J].應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào),2007,24(03).

        [6]孟凡顥.用DPS模型預(yù)測縫合復(fù)合材料彈性常數(shù)[J].飛機(jī)設(shè)計(jì),2004(03).

        〔編輯:張思楠〕

        TB332

        :A

        10.15913/j.cnki.kjycx.2017.15.052

        2095-6835(2017)15-0052-03

        馬元春(1973—),男,高級(jí)工程師,研究方向?yàn)閺?fù)合材料結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度。

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