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        復(fù)合材料層壓板圓角區(qū)面外受載失效分析

        2018-11-12 10:37:00陳亞軍
        關(guān)鍵詞:層壓板圓角構(gòu)型

        陳亞軍 /

        (上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院,上海201210)

        0 引言

        與金屬材料相比,復(fù)合材料具有諸多優(yōu)點(diǎn),例如抗疲勞性能強(qiáng)、比強(qiáng)度與比模量高、整體成型工藝容易實(shí)現(xiàn)等,因此,已被廣泛應(yīng)用于民用飛機(jī)承力構(gòu)件上。民用飛機(jī)上的復(fù)合材料剪切角片、翼肋圓角、肋圓角等結(jié)構(gòu)在面外載荷作用下,圓角區(qū)在厚度方向會(huì)產(chǎn)生較高的應(yīng)力水平,而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)恰恰存在層間強(qiáng)度低的缺陷,圓角區(qū)較高的應(yīng)力水平極易引發(fā)分層,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的承載能力大大降低,嚴(yán)重威脅到結(jié)構(gòu)安全。因此,亟需建立一套準(zhǔn)確可靠的方法以預(yù)測(cè)復(fù)合材料層壓板圓角區(qū)的承載能力。

        復(fù)合材料層壓板圓角區(qū)的破壞機(jī)理復(fù)雜,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了深入的研究。針對(duì)曲梁分別在端部載荷與純彎載荷作用下,Lekhnitskii[1]基于平面應(yīng)力假設(shè)提出相應(yīng)的應(yīng)力分布解析計(jì)算方法,從理論上可預(yù)測(cè)圓角區(qū)的應(yīng)力分布。侯瑞[2]則是基于彈性力學(xué)基本理論,并進(jìn)行了工程簡(jiǎn)化,計(jì)算得到復(fù)合材料圓角區(qū)在面外載荷作用下的應(yīng)力分布。黃豪杰等[3]采用有限元分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方法研究了彎角區(qū)域應(yīng)力沿徑向、周向和寬度方向的分布特征。

        本文基于有限元分析方法模擬復(fù)合材料層壓板圓角區(qū)在面外載荷作用下的失效過(guò)程,并預(yù)測(cè)破壞載荷,旨在驗(yàn)證有限元仿真方法的正確性,建立一套行之有效的復(fù)合材料層壓板圓角區(qū)失效分析方法。本文基于ABAQUS有限元分析軟件建立復(fù)合材料層壓板圓角區(qū)有限元模型,模型中采用連續(xù)殼單元和cohesive單元分別模擬復(fù)合材料與層間的膠層。并對(duì)圓角區(qū)在面外載荷作用下的失效過(guò)程進(jìn)行仿真,通過(guò)面內(nèi)損傷和分層損傷準(zhǔn)則預(yù)測(cè)圓角區(qū)失效破壞載荷,比較仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)兩者較符合,且仿真結(jié)果偏保守,由此可見(jiàn),本文采用的有限元仿真方法不僅能較好地模擬圓角區(qū)失效過(guò)程,還能較好地預(yù)測(cè)破壞載荷。

        1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

        試驗(yàn)件包含A和B兩種構(gòu)型,兩者只在厚度上有所差別,其他尺寸都相同,數(shù)量各6件,試驗(yàn)件的鋪層順序見(jiàn)表1,試驗(yàn)件幾何尺寸見(jiàn)圖1,夾持位置與加載方式見(jiàn)圖2、圖3。

        表1 試驗(yàn)件的鋪層順序

        圖1 試驗(yàn)件幾何尺寸(單位:mm)

        圖2 試驗(yàn)件的夾持與加載位置(單位:mm)

        試驗(yàn)件的夾持與加載位置見(jiàn)圖2,加載位置距自由端25 mm,夾持位置距自由端40 mm。試驗(yàn)件在試驗(yàn)機(jī)上的夾持與加載見(jiàn)圖3,試驗(yàn)機(jī)上端夾頭夾住加載端,加載端通過(guò)螺栓與試驗(yàn)件連接,下端夾頭夾住試驗(yàn)件,對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行固定。通過(guò)上夾頭向上運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)件的加載。

        圖3 試驗(yàn)件的夾持與加載

        試驗(yàn)件的失效模式均為圓角處分層破壞,如圖4所示,試驗(yàn)過(guò)程中,靠近彎角內(nèi)側(cè)率先出現(xiàn)分層,隨著載荷的增加,分層瞬間擴(kuò)展至整個(gè)彎角區(qū)域,結(jié)構(gòu)失去承載能力。兩種構(gòu)型試驗(yàn)件的平均破壞載荷如表2所示。

        圖4 分層破壞

        構(gòu)型破壞載荷/NA2 167B2 261

        2 有限元分析

        2.1 失效準(zhǔn)則

        在載荷作用下,復(fù)合材料層壓板圓角區(qū)容易產(chǎn)生面內(nèi)損傷和層間損傷。

        2.1.1 面內(nèi)損傷

        針對(duì)復(fù)合材料層壓板圓角區(qū)在載荷作用下所產(chǎn)生的面內(nèi)損傷,本文采用hashin準(zhǔn)則[4]進(jìn)行預(yù)測(cè)。該準(zhǔn)則包括纖維拉伸損傷、纖維壓縮損傷、基體拉伸損傷和基體壓縮損傷這四種損傷模式,具體見(jiàn)式(1)~式(4):

        纖維拉伸(σ11≥0):

        (1)

        纖維壓縮(σ11<0):

        (2)

        基體拉伸(σ22≥0):

        (3)

        基體壓縮(σ22<0):

        (4)

        2.1.2 損傷演化準(zhǔn)則

        式中:

        (6)

        2.1.3 層間損傷

        層間損傷也可稱(chēng)為分層損傷,復(fù)合材料圓角區(qū)在載荷作用下層與層之間容易出現(xiàn)分層損傷,通常引入cohesive單元來(lái)預(yù)測(cè)分層損傷的起始與擴(kuò)展。其中,平方名義應(yīng)力準(zhǔn)則可用來(lái)預(yù)測(cè)分層的起始,如果名義應(yīng)力比的平方和等于1,則表示分層開(kāi)始發(fā)生。而B(niǎo)K開(kāi)裂準(zhǔn)則用于預(yù)測(cè)分層的擴(kuò)展。具體見(jiàn)式(13)。

        平方名義應(yīng)力準(zhǔn)則[5]:

        (13)

        (14)

        BK開(kāi)裂準(zhǔn)則[5]:

        (15)

        式中,GIC、GIIC為臨界能量釋放率,η為與材料有關(guān)的系數(shù),本文取1.45。

        2.2 有限元建模

        試驗(yàn)件為復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu),其材料性能參數(shù)見(jiàn)表3。每層均采用一層連續(xù)殼單元SC8R進(jìn)行模擬,層間的膠層則采用零厚度的cohesive單元COH3D8進(jìn)行模擬,其性能參數(shù)見(jiàn)表4。

        表3 復(fù)合材料性能參數(shù)

        表4 Cohesive單元性能參數(shù)

        有限元模型如圖5所示,在該模型中,箭頭所在部位為Y向位移加載,下端約束部位約束X、Y、Z三個(gè)方向的平移自由度,圓角區(qū)細(xì)節(jié)見(jiàn)圖6。

        圖5 有限元模型

        圖6 圓角區(qū)細(xì)節(jié)

        為避免在計(jì)算過(guò)程中出現(xiàn)收斂問(wèn)題,本文對(duì)有限元模型采用非線(xiàn)性顯示分析。

        3 結(jié)果討論與分析

        通過(guò)對(duì)復(fù)合材料層壓板圓角區(qū)在剪切與彎曲復(fù)合載荷作用下的失效過(guò)程進(jìn)行有限元仿真,由圖7和圖8可知,構(gòu)型A和構(gòu)型B的圓角區(qū)靠近彎角內(nèi)側(cè)率先出現(xiàn)分層損傷,主要分層集中在第5層(內(nèi)側(cè)為第1層)和第6層之間,此時(shí)損傷區(qū)域小且并未導(dǎo)致試驗(yàn)件承載能力下降,繼續(xù)加載,這種分層損傷沿著切向擴(kuò)展,當(dāng)膠接面SDEG正好達(dá)到1時(shí),表明分層損傷開(kāi)始進(jìn)入穩(wěn)定的擴(kuò)展階段,繼續(xù)加載,分層迅速擴(kuò)展,此時(shí)結(jié)構(gòu)失去承載能力,這是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)典型的破壞特征。

        圖8 構(gòu)型B分層損傷(SDEG正好達(dá)到1)

        圖9 載荷-位移曲線(xiàn)

        圖9為構(gòu)型A和構(gòu)型B的載荷-位移曲線(xiàn),構(gòu)型A的破壞載荷為1 866 N,而試驗(yàn)結(jié)果為2 167 N,誤差率為13.9%。構(gòu)型B的破壞載荷為2 185 N,試驗(yàn)結(jié)果為2 261 N,誤差率為3.4%,由此可知,構(gòu)型A的有限元仿真結(jié)果誤差較大,而構(gòu)型B的則吻合很好,并且有限元仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比均偏保守,有利于工程應(yīng)用。之所以構(gòu)型A的有限元仿真結(jié)果誤差較大,原因在于構(gòu)型A的厚度薄,受載時(shí)變形大,力臂減小,導(dǎo)致圓角區(qū)實(shí)際承擔(dān)的力矩比分析時(shí)的力矩小,最終試驗(yàn)值比分析值高。而構(gòu)型B較厚,變形小,分析結(jié)果則更精確。

        4 結(jié)論

        本文基于試驗(yàn)與有限元分析方法對(duì)復(fù)合材料層壓板圓角區(qū)在面外載荷作用下的失效過(guò)程進(jìn)行研究,得到的結(jié)論具體如下:

        1) 試驗(yàn)得到的主要破壞模式為圓角區(qū)的分層破壞,與仿真得到的一致;

        2) 采用cohesive單元能較好地模擬圓角區(qū)分層損傷的起始與擴(kuò)展過(guò)程,仿真得到的結(jié)構(gòu)承載能力與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,并且偏保守,有利于工程應(yīng)用。

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