復(fù)合材料修補(bǔ)含菱形開(kāi)孔鋼板的有限元分析

范江海，章向明

(海軍工程大學(xué)理學(xué)院，湖北 武漢 430033)

0 前言

在國(guó)外，復(fù)合材料修補(bǔ)技術(shù)已經(jīng)日臻成熟，并應(yīng)用于各型飛機(jī)、船舶及各種管道的損傷修復(fù)中。近年來(lái)，我國(guó)在復(fù)合材料修補(bǔ)技術(shù)方面的研究有了長(zhǎng)足發(fā)展，如在飛機(jī)蒙皮、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、橋梁鋼結(jié)構(gòu)、輸油管道等損傷中都有一些應(yīng)用研究。本文通過(guò)有限元軟件分析了船用鋼板損傷的復(fù)合材料補(bǔ)片修復(fù)效果。

1 基本參數(shù)及有限元模型

1.1 基本參數(shù)

船舶鋼板損傷有多種形狀，本文針對(duì)其中一種含菱形孔損傷的矩形鋼板進(jìn)行研究。鋼板和補(bǔ)片的材料參數(shù)及幾何尺寸分別見(jiàn)表1、表2。

表1 鋼板材料參數(shù)及幾何尺寸

鋼板厚度分別取1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm進(jìn)行分析。

表2 補(bǔ)片材料參數(shù)及幾何尺寸

補(bǔ)片寬度分別取20mm、28mm、34mm、42mm、50mm進(jìn)行分析。開(kāi)孔幾何尺寸見(jiàn)表3，菱形孔邊長(zhǎng)為5mm，位于鋼板幾何中心。

表3 菱形開(kāi)孔幾何尺寸

1.2 有限元模型

復(fù)合材料補(bǔ)片修復(fù)菱形開(kāi)孔鋼板幾何尺寸，如圖1所示。

圖1 有限元模型

由于問(wèn)題是軸對(duì)稱(chēng)的，有限元分析時(shí)取1/4模型進(jìn)行計(jì)算。鋼板采用solid45號(hào)實(shí)體單元進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分;復(fù)合材料補(bǔ)片采用shell41號(hào)膜單元進(jìn)行映射網(wǎng)格劃分。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)有限元模型作如下假設(shè):實(shí)行雙面修補(bǔ)，兩面補(bǔ)片的尺寸和材料性質(zhì)完全一致，不考慮修補(bǔ)后結(jié)構(gòu)的彎曲;假設(shè)補(bǔ)片與損傷鋼板之間是理想粘接，不考慮實(shí)際修復(fù)中的膠接層;假設(shè)復(fù)合材料補(bǔ)片處于單向受力狀態(tài);復(fù)合材料補(bǔ)片纖維方向平行于受力方向。

2 損傷鋼板修補(bǔ)后的力學(xué)性能分析

2.1 修復(fù)效果表征

為了更好地對(duì)比修復(fù)前后的修復(fù)效果，采用相對(duì)強(qiáng)度、相對(duì)剛度、屈服載荷提高率和孔邊最大應(yīng)力衰減率，來(lái)表征鋼板修復(fù)后的力學(xué)性能改善。

相對(duì)強(qiáng)度:衡量結(jié)構(gòu)修復(fù)后的抗破壞能力，設(shè)完好鋼板在軸向拉力作用下屈服拉力為Fs，修復(fù)前、后的損傷鋼板孔邊屈服時(shí)的拉力為Fs，h，則相對(duì)強(qiáng)度定義為:

相對(duì)剛度:衡量結(jié)構(gòu)修復(fù)后抗變形能力的改善，設(shè)完整鋼板的抗拉剛度為: (EA)0=Ewt;修復(fù)后損傷鋼板的折算剛度為:，F(xiàn)為鋼板所承受拉力，A為鋼板橫截面積;伸長(zhǎng)率ε=，Δl為修補(bǔ)區(qū)域伸長(zhǎng)量。則相對(duì)剛度定義為:

屈服載荷提高率:衡量強(qiáng)度修復(fù)效果，設(shè)修復(fù)后的鋼板孔邊屈服拉力為Fs，r，則屈服載荷提高率定義為:

孔邊最大應(yīng)力衰減率:衡量修復(fù)效果，設(shè)損傷鋼板孔邊最大應(yīng)力為σs，h，修復(fù)后鋼板孔邊最大應(yīng)力為σs，r，則應(yīng)力衰減率定義為:

2.2 不同寬度補(bǔ)片對(duì)同一厚度損傷鋼板修復(fù)后的力學(xué)性能分析

取鋼板厚度為4mm，補(bǔ)片寬度分別用20mm、28mm、34mm、42mm、50mm修補(bǔ)后的效果進(jìn)行對(duì)比分析。修復(fù)前菱形開(kāi)孔鋼板的相對(duì)強(qiáng)度和相對(duì)剛度分別為14.84%和95.72%。

鋼板修復(fù)后的相對(duì)強(qiáng)度變化曲線如圖2所示，鋼板相對(duì)強(qiáng)度隨著補(bǔ)片寬度的增大而增大，數(shù)值從27.2%增大到41.2%，全寬度 (即補(bǔ)片寬度等于鋼板寬度)修復(fù)后數(shù)值達(dá)到最大值。

圖2 補(bǔ)片寬度對(duì)鋼板相對(duì)強(qiáng)度的影響

鋼板修復(fù)后的相對(duì)剛度變化曲線如圖3所示，鋼板相對(duì)剛度隨著補(bǔ)片寬度的增大而增大，數(shù)值從106.13%增大到106.24%，可明顯看出，全寬度補(bǔ)片修補(bǔ)比部分寬度修補(bǔ)效果更有效。

鋼板屈服載荷提高率與最大應(yīng)力衰減率變化曲線如圖4所示，鋼板修復(fù)效果隨著補(bǔ)片寬度的增大而增大，全寬度修補(bǔ)后數(shù)值達(dá)到最大值，效果最佳。

圖3 補(bǔ)片寬度對(duì)鋼板相對(duì)剛度的影響

圖4 補(bǔ)片寬度對(duì)鋼板修復(fù)效果的影響

2.3 全寬度補(bǔ)片對(duì)不同厚度損傷鋼板修復(fù)后的力學(xué)性能分析

上節(jié)的計(jì)算結(jié)果表明全寬度修復(fù)效果最佳，所以本節(jié)中取補(bǔ)片寬度與鋼板寬度相等，取50mm，對(duì)厚度分別為1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm的損傷鋼板進(jìn)行修補(bǔ)，對(duì)比修復(fù)后的效果。

鋼板修復(fù)后相對(duì)強(qiáng)度和相對(duì)剛度變化曲線如圖5所示，隨著鋼板厚度的增大，修復(fù)后的相對(duì)強(qiáng)度和相對(duì)剛度隨之減小，當(dāng)鋼板厚度達(dá)到補(bǔ)片厚度的40倍以上時(shí)，修復(fù)作用不明顯。對(duì)于比較薄的鋼板，補(bǔ)片修復(fù)作用很明顯，尤其當(dāng)鋼板厚度是補(bǔ)片厚度的20倍以內(nèi)時(shí)修復(fù)作用較好。

圖5 鋼板厚度對(duì)修復(fù)后相對(duì)強(qiáng)度和相對(duì)剛度的影響

鋼板的屈服載荷提高率與最大應(yīng)力衰減率變化曲線如圖6所示，屈服載荷提高率和最大應(yīng)力衰減率隨著鋼板厚度的增加而降低，并最終趨于平緩，修復(fù)效果變得不明顯了。

圖6 鋼板厚度對(duì)修復(fù)效果的影響

3 結(jié)論

1)利用有限元軟件ANSYS對(duì)含菱形開(kāi)孔鋼板的計(jì)算分析知，復(fù)合材料修補(bǔ)技術(shù)能有效恢復(fù)損傷鋼板的力學(xué)性能。

2)對(duì)于矩形開(kāi)孔鋼板，修復(fù)效果隨著補(bǔ)片寬度的增加而提高，全寬度 (即補(bǔ)片寬度等于鋼板寬度)修補(bǔ)效果比部分寬度修補(bǔ)效果更好。

3)補(bǔ)片厚度一定時(shí)，隨著鋼板厚度的增加，修復(fù)效果隨之降低，對(duì)于薄鋼板，補(bǔ)片修復(fù)作用很明顯，尤其當(dāng)鋼板厚度是補(bǔ)片厚度的20倍以內(nèi)時(shí)修復(fù)作用較好。

［1］鄭云，葉列平，岳清瑞，等.CFRP加固含疲勞裂紋鋼板的有限元參數(shù)分析 ［J］.工業(yè)建筑，2006，36(6):99－103.

［2］章向明，陳禮威，楊少紅，等.含裂紋鋼板復(fù)合材料修補(bǔ)疲勞壽命數(shù)值分析 ［J］.海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，20(4):4－7.

［3］ A.Mahadesh Kumar，S.A.Hakeem.Optimum design of symmetric composite patch repair to centre cracked metallic sheet［J］.Composite Structures，2000，49:285－292.

［4］ C.N.Duong.An engineer approach to geometrically nonlinear analyses of a one－sided compsite repair under thermo－ mechanical loading ［J］.Composite Structures，2004，64:13－21.

［5］陳禮威，章向明，蘇意駒.復(fù)合材料修復(fù)含孔洞鋼板有限元分析 ［J］.船海工程，2008，37(3):14－17.

［6］邢素麗，曾竟成，楊孚標(biāo)，等.復(fù)合材料修復(fù)鋁合金構(gòu)件的剛度分析和試驗(yàn)驗(yàn)證 ［J］.機(jī)械工程材料，2005，92(1):13－15.