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        鋪層對(duì)復(fù)合材料層合板力學(xué)性能影響的研究

        2021-10-14 11:15:44譙盛軍
        關(guān)鍵詞:合板鋪層機(jī)翼

        譙盛軍,王 飛,焦 瑾,劉 璐

        (西安航空學(xué)院 飛行器學(xué)院,西安710077)

        0 引言

        對(duì)于大展弦比復(fù)合材料機(jī)翼中使用的薄層合板結(jié)構(gòu),可以使用經(jīng)典層合板理論進(jìn)行分析,而對(duì)于復(fù)合材料機(jī)翼中使用的中厚層合板結(jié)構(gòu),就需要考慮使用三維分析方法進(jìn)行計(jì)算??紤]到復(fù)合材料中厚層合板往往由幾十層甚至上百層鋪設(shè)而成,直接建模較復(fù)雜,建模效率較低[1-2]。目前國內(nèi)外普遍采用優(yōu)化方法開展復(fù)合材料層合板的鋪層設(shè)計(jì)[3-7],基于遺傳算法對(duì)復(fù)合材料層合板開展了以層合板的鋪層角度為優(yōu)化變量,以復(fù)合材料層合板強(qiáng)度為優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)化分析;也有的基于層合板等效方法開展了穩(wěn)定性分析等相關(guān)計(jì)算[8]。

        本文使用等效方法,即通過推導(dǎo)復(fù)合材料剛度矩陣,得到層合板的等效剛度矩陣,從而得到等效柔度矩陣,進(jìn)而根據(jù)柔度矩陣和彈性模量、泊松比的關(guān)系,得到復(fù)合材料層合板的等效彈性常數(shù),基于等效后等厚度的各向異性板的材料常數(shù),開展了鋪層順序和厚度對(duì)復(fù)合材料層合板力學(xué)性能影響研究。

        1 復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)等效方法

        在工程應(yīng)用中,如果復(fù)合材料層合板的厚度相對(duì)于板的長度和寬度很小,在結(jié)構(gòu)中通常將這類層合板看作二維彈性變形問題處理,即假定每個(gè)鋪層為平面應(yīng)力狀態(tài)。

        在平面應(yīng)力狀態(tài)下,將與層合板厚度方向有關(guān)的量看作零,則有

        σ3=τ23=τ31=0

        (1)

        式中,σ3,τ23和τ31表示材料主方向上的應(yīng)力分量。

        又有Q16=Q26=0,則其應(yīng)變-應(yīng)力關(guān)系式為[8]:

        (2)

        式中:σ1,σ2和τ12表示材料主方向上的應(yīng)力分量;Qij為剛度矩陣元素;ε1,ε2和γ12表示材料主方向上的應(yīng)變分量。

        可得第k鋪層的正軸剛度矩陣:

        (3)

        引入

        (4)

        式中,R為Router矩陣。

        將其材料坐標(biāo)系下的剛度矩陣轉(zhuǎn)換為整體坐標(biāo)系下的剛度矩陣:

        (5)

        根據(jù)各鋪層厚度在層合板總厚度中所占的比例,計(jì)算得到層合板的等效剛度矩陣:

        (6)

        如果層合板中單層厚度相同,設(shè)厚度為d0,則層合板的等效剛度矩陣可以轉(zhuǎn)換為:

        (7)

        (8)

        求逆可得等效柔度矩陣:

        (9)

        由柔度矩陣和彈性模量、泊松比之間的關(guān)系可得復(fù)合材料層合板在三維坐標(biāo)系下的等效彈性常數(shù)為:

        (10)

        2 鋪層順序?qū)?fù)合材料層合板力學(xué)性能影響

        對(duì)于給定的等厚度對(duì)稱層合板,通過改變層合板的鋪層順序,計(jì)算不同鋪層順序下層合板的等效剛度系數(shù),將等效后的剛度系數(shù)折算,得到其彈性模量,再通過對(duì)比不同鋪層順序下層合板的等效彈性模量,分析鋪層順序?qū)偠鹊挠绊憽O旅孢x取三種鋪層的復(fù)合材料層合板,每一鋪層均采用T300/QY8911材料,鋪層總厚度為3.25 mm,每一層厚度相同,均為0.125 mm,共26層。

        2.1 第一種鋪層順序?qū)雍习?/h3>

        該層合板材料參數(shù)如表1所示,將該層合板等效為各向異性板,得到等效后的剛度系數(shù)矩陣。通過折算得到等效后層合板的等效彈性常數(shù)參數(shù)如表2所示。

        表1 層合板材料參數(shù)

        表2 等效后層合板的等效彈性常數(shù)參數(shù)

        2.2 第二種鋪層順序?qū)雍习?/h3>

        該層合板材料參數(shù)如表3所示,將該層合板等效為各向異性板,得到等效后的剛度系數(shù)矩陣。通過折算得到等效后層合板的等效彈性常數(shù)參數(shù)如表4所示。

        表3 層合板材料參數(shù)

        表4 等效后層合板的等效彈性常數(shù)參數(shù)

        2.3 第三種鋪層順序?qū)雍习?/h3>

        該層合板材料參數(shù)如表5所示,將該層合板等效為各向異性板,得到等效后的剛度系數(shù)矩陣。通過折算得到等效后層合板的等效彈性常數(shù)參數(shù)如表6所示。

        表5 層合板材料參數(shù)

        表6 等效后層合板的等效彈性常數(shù)參數(shù)

        在以上三種鋪層順序下分別計(jì)算得到了等效后層合板的等效彈性常數(shù)。三種鋪層順序分別以45°、0°和90°為起始鋪層方向,在等效板的厚度均為3.25 mm的前提下得到了等效后的彈性模量分別為74.8097 GPa、47.8568 GPa和67.1860 GPa。從等效后的彈性常數(shù)可以看出:以45°作為最外層鋪層的層合板剛度最大,其次為90°的鋪層順序和0°的鋪層順序。

        3 鋪層厚度對(duì)復(fù)合材料層合板力學(xué)性能影響

        對(duì)于等厚度鋪層的層合板,以機(jī)翼剖面剛度作為評(píng)價(jià)復(fù)合材料層合板力學(xué)性能的指標(biāo)。除蒙皮厚度外,剖面其它結(jié)構(gòu)的材料屬性和尺寸均不變。通過給出從1 mm到10 mm的層合板蒙皮的厚度,分別得到了機(jī)翼剖面的剪切剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度數(shù)值,層合板不同厚度下的剖面剛度如表7所示。

        表7 層合板不同厚度下的剖面剛度

        剪切剛度隨層合板厚度的變化曲線如圖1所示,扭轉(zhuǎn)剛度隨層合板厚度的變化曲線如圖2所示,彎曲剛度隨層合板厚度的變化曲線如圖3所示。從圖1至圖3可以看出,除蒙皮厚度外,在剖面其它結(jié)構(gòu)的材料屬性和尺寸均不變的情況下,機(jī)翼剖面的剪切剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度均隨蒙皮厚度的增大而增大。在機(jī)翼設(shè)計(jì)過程中,合理增加機(jī)翼蒙皮的厚度將有效提高機(jī)翼剛度。

        圖1 剪切剛度隨層合板厚度的變化曲線

        圖2 扭轉(zhuǎn)剛度隨層合板厚度的變化曲線

        圖3 彎曲剛度隨層合板厚度的變化曲線

        4 結(jié)論

        本文以飛機(jī)結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,基于層合板等效方法,利用Matlab開展了鋪層順序?qū)?fù)合材料層合板力學(xué)性能影響研究;基于剛度計(jì)算方法,利用Fortran開展了鋪層厚度對(duì)機(jī)翼剖面的剛度影響研究。得出以下結(jié)論:

        (1)層合板鋪層順序?qū)雍习辶W(xué)性能影響較大,其中以45°作為最外層的層合板力學(xué)性能最佳,其次為90°和0°鋪層角;

        (2)層合板鋪層厚度對(duì)機(jī)翼剖面剛度的影響幾乎呈線性變化,合理增加機(jī)翼層合板蒙皮的厚度將有效提高機(jī)翼剛度;

        (3)根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求,需開展綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)以達(dá)到最優(yōu)的鋪層厚度和角度。

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