復(fù)合材料層合板開(kāi)孔壓縮性能

◎丁聰

復(fù)合材料層合板開(kāi)孔壓縮性能

◎丁聰

運(yùn)用試驗(yàn)和有限元軟件ABAQUS對(duì)比分析了壓縮載荷作用下的復(fù)合材料開(kāi)孔層合板在不同尺寸和圓角時(shí)的性能。討論了不同開(kāi)孔尺寸和圓角半徑對(duì)層合板壓縮性能的影響。研究表明，開(kāi)孔層合板壓縮破壞載荷隨開(kāi)口尺寸的減小而緩慢增大，圓角半徑對(duì)破壞載荷的影響并不明顯。

增強(qiáng)碳纖維復(fù)合材料具有高模量、高強(qiáng)度、比重小、耐腐蝕的特點(diǎn)，越來(lái)越多的應(yīng)用于飛機(jī)主承力結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)通常需要開(kāi)孔，導(dǎo)致切斷了復(fù)合材料纖維，破壞了應(yīng)力和應(yīng)變的連續(xù)性，產(chǎn)生應(yīng)力集中。特別是在壓縮載荷作用下，結(jié)構(gòu)的壓縮強(qiáng)度會(huì)大大降低，因此需要在開(kāi)孔設(shè)計(jì)中考慮應(yīng)力集中的影響。

國(guó)內(nèi)外對(duì)此開(kāi)展了很多研究， O'Neill G S分析了非對(duì)稱(chēng)補(bǔ)強(qiáng)方式對(duì)層合板強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)強(qiáng)后板的強(qiáng)度可提高 5%～12%。羅小東等對(duì)開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)中不同開(kāi)孔孔徑進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)對(duì)補(bǔ)強(qiáng)效率最高的補(bǔ)強(qiáng)孔徑。上述研究分別從補(bǔ)強(qiáng)形式、補(bǔ)強(qiáng)孔徑等方面對(duì)強(qiáng)度的影響做了很多分析，但對(duì)于開(kāi)孔復(fù)合材料板開(kāi)孔尺寸以及開(kāi)孔圓角的影響開(kāi)孔孔徑之間的關(guān)系沒(méi)有做深入的研究。本文將開(kāi)展壓縮載荷作用下的復(fù)合材料開(kāi)孔壓縮承載能力研究，并對(duì)不同開(kāi)孔尺寸和不同開(kāi)孔圓角時(shí)的壓縮載荷進(jìn)行比較。

試驗(yàn)介紹

試驗(yàn)件及試驗(yàn)方法。設(shè)計(jì)了長(zhǎng)600mm，寬200mm復(fù)合材料層合板試驗(yàn)件，腹板中心有不同圓角半徑的方形開(kāi)孔。材料為CYCOM977-2/12K HTS單向帶，共27件。試驗(yàn)件典型尺寸見(jiàn)圖1。

每件試驗(yàn)件共貼12個(gè)片，正面沿開(kāi)口中心對(duì)稱(chēng)線(xiàn)布6個(gè)應(yīng)變片，其中兩個(gè)緊貼著開(kāi)口布置，反面與正面對(duì)稱(chēng)。試驗(yàn)件貼片如圖2所示。

試驗(yàn)方法根據(jù) ASTM D6484/D6484M-09［5］標(biāo)準(zhǔn)制定，試驗(yàn)件是通過(guò)夾緊試驗(yàn)件端部加壓縮載荷。夾具將試驗(yàn)件兩端夾持好，并用螺栓擰緊。為使試驗(yàn)件在壓縮時(shí)鉛垂方向上不易彎折，夾具上對(duì)稱(chēng)布置了四根導(dǎo)軌，從而試驗(yàn)件在壓縮時(shí)只承受純的壓縮載荷而沒(méi)有偏心彎矩。

采用WDW-200E靜力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行位移加載，加載速度為2mm/ min。

試驗(yàn)結(jié)果。共有9組試驗(yàn)件，其中每組試驗(yàn)件3件，除兩組外，7組試驗(yàn)件破壞模式均符合ASTM標(biāo)準(zhǔn)要求，數(shù)據(jù)有效。

試驗(yàn)件的破壞載荷，試驗(yàn)載荷統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

得到中心開(kāi)孔為50mm×50mm，圓角為R25的試驗(yàn)件載荷應(yīng)變曲線(xiàn)。

有限元分析

使用有限元軟件 ABAQUS 對(duì)開(kāi)孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，進(jìn)行線(xiàn)性分析，得到平均應(yīng)變估算破壞載荷，有限元模型。得到應(yīng)力集中系數(shù)和壓縮試驗(yàn)預(yù)估破壞載荷。

由于試件厚度方向尺寸較小，在受到壓縮載荷情況下極容易發(fā)生失穩(wěn)，故進(jìn)行了失穩(wěn)分析。給出開(kāi)孔尺寸為30mm×30mm，圓角半徑為10mm的試驗(yàn)件的屈曲模態(tài)，其對(duì)應(yīng)的失穩(wěn)載荷為27.92KN。得到其它試驗(yàn)件的失穩(wěn)載荷。

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果和有限元計(jì)算可以看出，開(kāi)孔層合板壓縮破壞載荷隨開(kāi)口尺寸的減小而緩慢增大，圓角半徑對(duì)破壞載荷的影響并不明顯。

（作者單位：上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院）