復合材料加筋壁板長桁蒙皮剝離失效分析

陳亞軍 /

(上海飛機設計研究院，上海201210)

0　引言

與金屬材料相比，復合材料具有很多優(yōu)點，諸如比強度、比模量高，抗疲勞性能好、可設計性強等，目前已被廣泛應用于波音787、A350等先進機型的主承力結構。復合材料加筋壁板是飛機上一種常用的結構型式，通常由蒙皮與長桁共固化或共膠接而成，由于重量輕、結構效率高，廣泛應用于翼面和機身等部位。但復合材料加筋壁板并不完美，在氣動載荷作用下，加筋壁板彎曲變形，由于蒙皮與長桁粘接部位剛度突然改變，在蒙皮與長桁緣條之間容易發(fā)生脫膠，隨著載荷的增大，脫膠繼續(xù)擴展，導致結構的承載能力下降很快，最終危及飛機結構的安全。因此，需要對壁板蒙皮與長桁間的剝離強度進行預測，從而保證結構安全。

國內外許多學者對復合材料的剝離破壞機理進行了深入地研究。Phillips等[1]通過有限元方法研究了復合材料加筋壁板在純彎載荷作用下的失效機理，發(fā)現(xiàn)長桁端頭處層間剪應力明顯集中，最終導致蒙皮長桁界面滑移斷裂。段元欣等[2]通過CFRP/鋁合金剝離試驗和三維有限元模型獲得了剝離應力分布。孫啟星等[3]基于ABAQUS有限元分析軟件中的粘接單元模擬筋條與蒙皮的分層擴展，發(fā)現(xiàn)增大筋條斜削區(qū)的長度可以延遲分層的起始。

本文通過ABAQUS有限元分析軟件，基于連續(xù)殼單元和Cohesive單元建立復合材料加筋壁板有限元模型，對蒙皮與長桁在純彎載荷作用下的剝離過程進行仿真，并采用面內損傷準則預測纖維與基體的損傷，通過層間損傷準則預測蒙皮與長桁的剝離強度。

1　失效準則

在純彎載荷作用下，復合材料加筋壁板會產生損傷，主要包含面內損傷與層間損傷這兩種損傷形式，其中，面內損傷包括纖維拉伸斷裂、纖維壓縮斷裂、基體拉伸開裂與基體壓縮開裂這四種損傷模式，而層間損傷主要表現(xiàn)為分層失效。

技 術 研 究

1.1 面內損傷

本文采用Hashin準則[4]對復合材料壁板在載荷作用下所產生的面內損傷進行預測。該準則包含四種損傷模式，分別為纖維拉伸、纖維壓縮、基體拉伸和基體壓縮，具體如下。

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)

1.2 損傷演化準則

(5)

式中：

1.3 層間損傷

在純彎載荷作用下，蒙皮和長桁緣條容易出現(xiàn)脫膠，也可稱為蒙皮與長桁緣條間的分層，分層的起始與擴展依靠Cohesive單元來預測。Cohesive單元的破壞過程包含損傷起始和損傷擴展這兩個階段。其中，損傷起始階段采用平方名義應力準則預測分層的萌生，若名義應力比的平方和達到1，則表明分層損傷的起始。而BK開裂準則用于損傷擴展階段，用以預測分層的擴展。具體如下。

平方名義應力準則[5]：

(6)

符號〈 〉是Macaulay bracket算子，定義如下：

BK開裂準則[5]：

(7)

式中，GIC和GIIC為臨界能量釋放率，η是與材料有關的系數，本文取1.45。

2　有限元分析

2.1 試驗簡介

試驗件包含A和B兩種構型，數量各3件，試驗件各部位的鋪層如表1所示，試驗件如圖1所示，幾何尺寸如圖2～圖3所示。

表1　試驗件各部位的鋪層

圖1　蒙皮長桁試驗件

圖2　試驗件壁板幾何尺寸(單位：mm)

圖3　試驗件長桁截面幾何尺寸(單位：mm)

試驗件的夾持與加載見圖4和圖5，試驗加載采用四點彎的加載形式，通過上夾頭向下運動，實現(xiàn)對試驗件的加載。

圖4　試驗件的夾持與加載位置(單位：mm)

圖5　試驗件的夾持與加載

試驗結果表明，蒙皮與長桁下凸緣之間膠接面萌生脫膠損傷后，此時損傷區(qū)域小且未導致試驗件彎曲剛度下降，繼續(xù)加載，當載荷達到一定值時，脫膠損傷進入穩(wěn)定的擴展階段，此時，試驗件剛度降低明顯，此時對應的載荷即為脫膠載荷。兩種構型的脫膠載荷如表2所示。破壞模式為蒙皮-長桁下凸緣脫膠破壞，具體如圖6所示。

表2　試驗脫膠載荷

圖6　蒙皮-長桁下凸緣脫膠破壞

2.2 有限元建模

試驗件蒙皮與長桁均為復合材料層板結構，其材料性能參數見表3。蒙皮與長桁均采用連續(xù)殼單元SC8R進行模擬，長桁腹板-下凸緣填充區(qū)采用實體單元建模，長桁腹板與下凸緣之間(含R區(qū))、蒙皮與長桁下凸緣之間的膠層則采用Cohesive單元COH3D8進行模擬，其性能參數見表4。

表3　復合材料性能參數

表4　Cohesive單元性能參數

圖7為有限元模型，在該模型中，箭頭所在部位為Z向位移加載，支持部位約束Z向平移自由度，中間對稱面處約束Y向平移自由度，并且約束中間對稱面處中點的X向平移自由度。

為避免在計算過程中出現(xiàn)收斂問題，本文對有限元模型采用非線性顯示動態(tài)分析。

圖7　有限元模型

2.3 結果討論與分析

基于ABAQUS有限元仿真平臺對復合材料壁板在純彎載荷作用下的破壞過程進行模擬，發(fā)現(xiàn)蒙皮與長桁下凸緣之間膠接面率先萌生損傷，此時損傷區(qū)域小且未導致試驗件彎曲剛度下降，繼續(xù)加載，這種分層損傷沿著長桁下凸緣向中間腹板擴展，當膠接面SDEG剛好達到1時，表明分層損傷開始進入穩(wěn)定的擴展階段，此時，試驗件剛度降低明顯，對應的載荷即為脫膠載荷。

圖8和圖9分別為構型A和構型B蒙皮與長桁下凸緣之間Cohesive單元SDEG達到1對應的分層損傷，由圖可知，構型A和構型B的分層損傷基本相同。

圖8　構型A分層損傷(SDEG剛好達到1)

圖9　構型B分層損傷(SDEG剛好達到1)

圖10和圖11分別為SDEG達到1時蒙皮與長桁下凸緣之間Cohesive單元的法向應力云圖，由此兩圖可知，構型A的蒙皮長桁剝離強度為43.4 MPa，構型B的蒙皮長桁剝離強度為46.1 MPa，兩者基本相當，這也符合相同膠層剝離強度一致的規(guī)律。

圖11　構型B Cohesive單元方向應力云圖

圖12為脫膠變形圖，紅色區(qū)域表示脫膠區(qū)。圖13為構型A和構型B的載荷-位移曲線，當SDEG大于0未達到1時表明脫粘損傷已經萌生，但不會導致試驗件剛度立即下降，此時載荷-位移曲線沒有出現(xiàn)任何波動。當SDEG達到1時，表明脫粘損傷已進入穩(wěn)定擴展階段，載荷-位移曲線出現(xiàn)明顯地波動。構型A的脫膠載荷為60.2 kN·mm，試驗結果為72.8 kN·mm，誤差率為17.3%。構型B的脫膠載荷為104.6 kN·mm，試驗結果為106.4 kN·mm，誤差率為1.7%。由此可見，蒙皮厚度影響脫膠載荷，并且相比試驗結果有限元仿真結果較保守，構型A的結果誤差較大，而構型B的結果吻合較好，可能與試驗件數量過少，數據不足有關。

圖13　載荷-位移曲線

3　結論

本文基于ABAQUS有限元分析軟件建立復合材料加筋壁板有限元模型，并對該結構蒙皮與長桁在純彎載荷作用下的脫膠過程進行仿真，得到如下結論：

1) 有限元仿真得到的破壞模式為蒙皮與長桁下凸緣之間發(fā)生脫膠破壞，與試驗得到的破壞模式基本一致。

2)與試驗結果相比，有限元仿真得到的脫膠載荷偏保守，可應用于工程分析。

3) 蒙皮與長桁下凸緣之間的脫膠可采用Cohesive單元進行模擬，效果較好。