復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)單面貼補(bǔ)彎曲性能的分析模型與試驗(yàn)研究

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1、航空學(xué)報(bào)Aug252013VoJ.34No8表3蜂窩板彎曲試驗(yàn)結(jié)果Table3Bendingtestresultsofh伽eycombpaneIs篇籌蹦“∥7B甍等黑7numberN.:%測試數(shù)據(jù)的離散系數(shù)均在10%以內(nèi),由此表明,測試數(shù)據(jù)的誤差均在允許的誤差范圍之內(nèi),測試結(jié)果可信度較高。由表3試驗(yàn)結(jié)果可知,所有試件強(qiáng)度恢復(fù)率均達(dá)到了84%以上,最大可以達(dá)到104.69%。對(duì)于3層以及6層補(bǔ)片的試件,補(bǔ)片直徑增大后,強(qiáng)度恢復(fù)率略有提高;而補(bǔ)片為4層和5層時(shí),強(qiáng)度恢復(fù)率會(huì)隨著補(bǔ)片直徑增加而略有下降。對(duì)于同一直徑的試件,除直徑為50mm情況外,強(qiáng)度恢復(fù)率

2、均隨著補(bǔ)片厚度增加而有所提高,如圖2所示。圖23層、l層、j層和6層補(bǔ)片試驗(yàn)結(jié)果Fig.2Testresultsof3一,4一,5一and6一layerpatches對(duì)于補(bǔ)片為3層的情況,補(bǔ)片直徑從40mm增加到70mm,膠接面積顯著增加,改善了膠層中受力情況,因此提高了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度恢復(fù)率。而對(duì)于補(bǔ)片直徑為50mm的試件,補(bǔ)片厚度從5層增加至6層,使得膠層中最大剪應(yīng)力值增大,因此較早出現(xiàn)了補(bǔ)片脫膠的現(xiàn)象,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度恢復(fù)率反而下降。2數(shù)值分析模型2.1膠層模型損傷修補(bǔ)結(jié)構(gòu)模型中通常存在應(yīng)力集中,甚至是網(wǎng)格奇異,這會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生負(fù)面影響,而將粘聚單元技術(shù)與有

3、限元方法結(jié)合可以分析膠接修補(bǔ)的力學(xué)行為,模擬膠層中損傷的起始與擴(kuò)展,復(fù)合材料層間分層及纖維斷裂等口2

4、。文獻(xiàn)[13]通過雙懸臂梁試驗(yàn)方法得到膠層中法向正應(yīng)力與相對(duì)位移之間的關(guān)系,如圖3所示。圖3膠層的正應(yīng)力一位移曲線Fig.3Normalstress—displacementcurveofadhesive1ayer由圖3可以看出,膠層本構(gòu)關(guān)系可以近似為梯形模式,因此,本文引入了基于梯形本構(gòu)關(guān)系口43的膠層模型,并考慮了不同損傷擴(kuò)展模式,如圖4所示。其中:乳:(i=I,Ⅱ,Ⅲ)為單一裂紋擴(kuò)展模式下的屈服強(qiáng)度;盯。。.,(i=工,Ⅱ,Ⅲ)為混合裂紋擴(kuò)展模

5、式下的屈服強(qiáng)度;亂¨&∽鼠.。(i一工,Ⅱ,Ⅲ)分別為單一裂紋擴(kuò)展模式下的破壞起Dd。。.,d。吃。,哦。吒,哦,d圖4膠層的本構(gòu)關(guān)系Fig.4Constitutiverelationshipofadhesivelayer李劍峰等:復(fù)合材料蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)單面貼補(bǔ)彎曲性能的分析模型與試驗(yàn)研究始位移,應(yīng)力軟化位移和最終失效位移;艿,。一赴?!蝸y。+,(i=I,Ⅱ,Ⅲ)分別為混合裂紋擴(kuò)展模式下的破壞起始位移,應(yīng)力軟化位移和最終失效位移。膠層初始失效判據(jù)基于二次應(yīng)力準(zhǔn)則:(魯)2+(等)2+(魯)2≥,㈩應(yīng)力軟化準(zhǔn)則為(魯)2+(等)2+(魯)2≥·㈣最終失效

6、準(zhǔn)則為乒+乒+粵≥1(3)GIc‘GⅡc‘GⅢc7‘?式中:Gi(i—I,Ⅱ,Ⅲ)為單一裂紋擴(kuò)展模式下的能量釋放率;G;。(i—I,Ⅱ,Ⅲ)為單一裂紋擴(kuò)展模式下的臨界能量釋放率,即梯形下部所包含的面積。在混合裂紋擴(kuò)展模式下,當(dāng)膠層材料滿足二次應(yīng)力準(zhǔn)則,即應(yīng)力一位移曲線達(dá)到梯形水平段,則對(duì)拉伸模量和剪切模量進(jìn)行剛度折減,折減系數(shù)為r】一警(4)0m式中:如一俑+碥+碥,院(i—I,Ⅱ,Ⅲ)分別為單一模式對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的位移;艿-.。為混合裂紋擴(kuò)展模式下的當(dāng)前等效位移,是滿足式(1)的破壞起始等效位移。當(dāng)應(yīng)力一位移曲線進(jìn)入梯形下降段,即滿足應(yīng)力軟化準(zhǔn)則,則剛度

7、折減系數(shù)為一蒜蘭巖㈤n—i瓦:麗¨’式中:如,。為滿足式(2)的應(yīng)力軟化等效位移;艿。.。為最終失效等效位移。2.2有限元模型本文基于MSC.Marc平臺(tái),以8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元建立復(fù)合材料蜂窩板單面貼補(bǔ)有限元分析模型,由于存在應(yīng)力集中,在損傷孑L部位加密網(wǎng)格。膠層采用三維實(shí)體粘聚單元,并且將2.1節(jié)中所述膠層本構(gòu)關(guān)系、失效判據(jù)以及剛度折減方式編制為Marc用戶子程序。蜂窩芯層的失效判據(jù)基于Hill準(zhǔn)則。由于面板及補(bǔ)片都是由編織物復(fù)合材料鋪設(shè)而成,因此以HashinFabric三維編織物準(zhǔn)則口朝作為失效判據(jù):1方向纖維拉伸破壞,盯。>o(未)2+(囂)2+

8、(囂)21方向纖維壓縮破壞,盯。o(最)2+(爨)‘+(蚤)‘≥,c8,2方向纖維壓縮破壞,仃。o(象)‘+(雖)‘+(囂)。+(蚤)?!?,(10)基體壓縮破壞,①

9、;仉(i一1,2,3)為相應(yīng)方向的主應(yīng)力;仃i(i,歹一1,2,3)為相應(yīng)方向的剪切應(yīng)力。按照如下方法進(jìn)行剛

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