王碧蓉 榮海波

摘 要：本文以直升機(jī)典型復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，采用蔡-胡（Tsai-Wu）失效準(zhǔn)則，對(duì)層壓板的剪切承載能力進(jìn)行計(jì)算分析。同時(shí)通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試得到結(jié)構(gòu)的實(shí)際剪切承載能力，并將計(jì)算分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證了用蔡-胡（Tsai-Wu）失效準(zhǔn)則計(jì)算復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)剪切承載能力的可行性與準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：典型復(fù)合材料層壓板;剪切承載;蔡-胡（Tsai-Wu）失效準(zhǔn)則

中圖分類號(hào)：V215 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）12-0096-02

0 引言

在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中，層壓板是一種應(yīng)用廣泛的結(jié)構(gòu)，由于它可制成多種結(jié)構(gòu)形式，并可采用多種工藝方法成形，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，在航空航天飛行器結(jié)構(gòu)中應(yīng)用十分普遍[1]。當(dāng)復(fù)合材料層壓板受剪切載荷時(shí)，可能發(fā)生屈曲甚至因此而引起破壞，設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)其屈曲載荷及承載能力進(jìn)行分析計(jì)算。機(jī)身上板框中的格板、縱向構(gòu)件與框之間的蒙皮，翼面上的肋腹板、長(zhǎng)桁與肋之間的蒙皮，都可作為平板來(lái)處理，盡管蒙皮具有一定的曲率，處理成平板是偏安全的[2-3]。

本文著力于通過(guò)蔡-胡（Tsai-Wu）失效準(zhǔn)則計(jì)算復(fù)合材料層壓板的剪切承載能力，并通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試的方法驗(yàn)證用蔡-胡（Tsai-Wu）失效準(zhǔn)則計(jì)算復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)剪切承載能力的可行性與準(zhǔn)確性。

1 層壓板承剪計(jì)算分析

1.1 試驗(yàn)件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)件為復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)尺寸為500mm×500mm的典型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件，如圖1所示，試驗(yàn)件鋪層為[45/0/0/45/0/45/0/45]。

1.2 試驗(yàn)件承剪能力計(jì)算分析

采用殼元模擬試驗(yàn)件，結(jié)構(gòu)四邊簡(jiǎn)支約束，在結(jié)構(gòu)四邊施加剪流，具體如圖2所示。

復(fù)合材料鋪層的失效準(zhǔn)則是利用基本強(qiáng)度剪力判別狀態(tài)下鋪層是否失效的準(zhǔn)則，本文采用的蔡-胡（Tsai-Wu）失效準(zhǔn)則如下：

2 層壓板剪切試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)件及試驗(yàn)加載

對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行剪切承載能力試驗(yàn)，試驗(yàn)采用四連桿機(jī)構(gòu)夾具支持，通過(guò)四連桿機(jī)構(gòu)的兩對(duì)角施加載荷。四連桿機(jī)構(gòu)與試驗(yàn)件四邊用鉚釘連接，確保四連桿機(jī)構(gòu)連接螺栓與試驗(yàn)件和夾具間連接鉚釘在同一條直線上，如圖4所示。

2.2 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)件破壞圖片如圖5所示，試驗(yàn)測(cè)試載荷與位移變化曲線如圖6所示。

試驗(yàn)件最終沿受力方向上、下部撕裂，喪失承載能力，試驗(yàn)件剪切破壞載荷為76.1kN。

3 結(jié)果分析與對(duì)比

采用蔡-胡（Tsai-Wu）失效準(zhǔn)則和試驗(yàn)測(cè)試得到的復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)破壞載荷對(duì)比如表2所示。

計(jì)算得試驗(yàn)件試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與蔡-胡（Tsai-Wu）失效準(zhǔn)則計(jì)算的試驗(yàn)件破壞載荷相差2.5%。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)蔡-胡（Tsai-Wu）失效準(zhǔn)則對(duì)復(fù)合材料層壓板的承剪進(jìn)行了計(jì)算，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)驗(yàn)證，得到以下結(jié)論：

（1）復(fù)合材料層壓板在受剪切載荷時(shí)最終沿受力方向上、下部撕裂而喪失承載能力。

（2）蔡-胡（Tsai-Wu）失效準(zhǔn)則能夠較理想的模擬結(jié)構(gòu)實(shí)際破壞情況，最終得到的極限承剪能力與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果相差2.5%。

參考文獻(xiàn)

[1] 中國(guó)航空研究院.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2001.

[2] 航空航天工業(yè)部科學(xué)技術(shù)研究院.復(fù)合材料設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，1990.

[3] 中國(guó)航空研究院.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：航空工業(yè)出版社，2002.