復合材料壁板大開口結構拉伸性能研究

薛俊川++戰宇

摘 要：采用兩種建模方法對復合材料壁板大開口結構進行拉伸模擬，第一種采用SC8R連續體殼單元離散，第二種采用S4R常規殼單元離散，并將兩種模擬結果與試驗結果進行分析比較，驗證有限元模型的準確性，并分析模擬與試驗結果出現偏差的原因。 試驗及模擬結果表明壁板開孔補強方法有效，滿足工程使用要求。

關鍵詞：復合材料 開孔壁板 拉伸 有限元

中圖分類號：V224 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（b）-0081-01

復合材料以其比強度高，比剛度大、可設計性強、抗疲勞斷裂性能好和耐腐蝕等優點大面積應用于飛機結構設計中[1]。在飛機結構設計中，機體主承力結構占總重量的70%以上，所以為了獲得明顯的減重效益，就必須將復合材料應用于主承力結構上。復合材料加筋壁板是工程中應用比較廣泛的一種結構，由于維修和裝配等原因，常常在壁板上設置口蓋，導致開口部位出現很大應力集中，為了保證結構的使用安全，常常需要對結構進行強度分析[2]。

1 試驗方案

本次試驗的極限載荷為400 kN，限制載荷為268 kN，溫度：（23±3）℃；相對濕度：（50±5）%。考慮環境影響，環境影響因子1.2。共布置應變花24個，單軸應變計116個。以5%極限載荷為級差，加載至50%極限載荷，然后以2%極限載荷為級差，加載至100%極限載荷，最后以1%極限載荷為級差加載至300%極限載荷，加載完成后卸載。

2 有限元模型

第一種有限元模型：復合材料大開孔壁板和長桁均采用SC8R連續體殼單元離散，同時在蒙皮和長桁之間預置一層粘接元，粘接元采用COH3D8單元模擬。對于鋪層遞減區域，首先在三維模型里劃分出相應的區域，然后對體殼單元賦予鋪層屬性時，只需要設置為遞減之后的鋪層屬性即可，這種建模方法簡單易懂，且耗時較短。

第二種有限元模型：復合材料大開孔壁板和長桁均采用S4R常規殼單元離散，同時在蒙皮和長桁之間預置一層粘接元，粘接元采用COH3D8單元模擬。

在300%極限載荷情況下，結構最大縱向拉伸應變均出現在復合材料壁板大開孔周圍，第一種有限元模型最大縱向拉伸應變為8053，第二種有限元模型最大縱向拉伸應變為9717。第一種模型與實驗值8550更為接近。兩種建模方法下的結構剛度，第一種略大于第二種，整個加載過程中曲線的斜率并未出現變化，也未出現明顯的掉載點，說明整個過程中整個結構剛度基本沒有變化，整個結構在模擬過程中未出現破壞，這與試驗結果基本符合。與模擬結果不相符的是在試驗過程中，首先脫粘的位置是大開孔上方長桁與壁板之間，考慮可能是預制沖擊損傷時，由壁板內側向外側沖擊時，造成長桁與壁板間的界面性能下降，因此在拉伸過程中沖擊附近位置的長桁和壁板發生脫粘。

3 結果對比

考慮到壁板的左右對稱，針對整個結構中比較典型的位置處應變片的數值與模擬過程中的數值進行比較.

在復合材料大開口附近的幾個典型應變片位置中，常規殼單元建模模擬出的結果更接近試驗值，而在遠離大開口的位置連續殼單元建模模擬的結果更接近試驗值，考慮到可能由于在大開口附近嚴重的應力集中導致原本厚度就比較小的連續殼單元網格更加扭曲，出現嚴重變形而導致結果出現失真。有些位置有限元的模擬結果和試驗結果在剛加載階段差距比較大，但是在接近300%極限載荷時比較接近，考慮到可能因為試驗件長度比較大，導致在加載過程中出現偏心，從而在加載初期出現模擬與試驗之間的偏差。有些位置有限元模擬結果跟試驗結果差距比較大，考慮可能在試驗過程中由于長桁與壁板出現脫粘造成。

4 結論

（1）應用有限元模擬拉伸過程與試驗結果基本吻合，說明本文有限元建模方法具有較好的精度，因此應用此種方法可對不同構型及尺寸參數的壁板進行模擬分析，從而為進行結構優化設計及工程應用提供參考。

（2）復合材料開口壁板補強之后，結構安全可靠，滿足工程要求。

參考文獻

[1] 杜善義.先進復合材料與航空航天[J].復合材料學報，2007，24（1）：1-12.

[2] Zimmermann R，Klein H，Kling A.Buckling and post-buckling of stringer stiffened fibre composite curved panels-Tests and computations. Composite Structures，2006.endprint

摘 要：采用兩種建模方法對復合材料壁板大開口結構進行拉伸模擬，第一種采用SC8R連續體殼單元離散，第二種采用S4R常規殼單元離散，并將兩種模擬結果與試驗結果進行分析比較，驗證有限元模型的準確性，并分析模擬與試驗結果出現偏差的原因。 試驗及模擬結果表明壁板開孔補強方法有效，滿足工程使用要求。

關鍵詞：復合材料 開孔壁板 拉伸 有限元

中圖分類號：V224 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（b）-0081-01

復合材料以其比強度高，比剛度大、可設計性強、抗疲勞斷裂性能好和耐腐蝕等優點大面積應用于飛機結構設計中[1]。在飛機結構設計中，機體主承力結構占總重量的70%以上，所以為了獲得明顯的減重效益，就必須將復合材料應用于主承力結構上。復合材料加筋壁板是工程中應用比較廣泛的一種結構，由于維修和裝配等原因，常常在壁板上設置口蓋，導致開口部位出現很大應力集中，為了保證結構的使用安全，常常需要對結構進行強度分析[2]。

1 試驗方案

本次試驗的極限載荷為400 kN，限制載荷為268 kN，溫度：（23±3）℃；相對濕度：（50±5）%。考慮環境影響，環境影響因子1.2。共布置應變花24個，單軸應變計116個。以5%極限載荷為級差，加載至50%極限載荷，然后以2%極限載荷為級差，加載至100%極限載荷，最后以1%極限載荷為級差加載至300%極限載荷，加載完成后卸載。

2 有限元模型

第一種有限元模型：復合材料大開孔壁板和長桁均采用SC8R連續體殼單元離散，同時在蒙皮和長桁之間預置一層粘接元，粘接元采用COH3D8單元模擬。對于鋪層遞減區域，首先在三維模型里劃分出相應的區域，然后對體殼單元賦予鋪層屬性時，只需要設置為遞減之后的鋪層屬性即可，這種建模方法簡單易懂，且耗時較短。

第二種有限元模型：復合材料大開孔壁板和長桁均采用S4R常規殼單元離散，同時在蒙皮和長桁之間預置一層粘接元，粘接元采用COH3D8單元模擬。

在300%極限載荷情況下，結構最大縱向拉伸應變均出現在復合材料壁板大開孔周圍，第一種有限元模型最大縱向拉伸應變為8053，第二種有限元模型最大縱向拉伸應變為9717。第一種模型與實驗值8550更為接近。兩種建模方法下的結構剛度，第一種略大于第二種，整個加載過程中曲線的斜率并未出現變化，也未出現明顯的掉載點，說明整個過程中整個結構剛度基本沒有變化，整個結構在模擬過程中未出現破壞，這與試驗結果基本符合。與模擬結果不相符的是在試驗過程中，首先脫粘的位置是大開孔上方長桁與壁板之間，考慮可能是預制沖擊損傷時，由壁板內側向外側沖擊時，造成長桁與壁板間的界面性能下降，因此在拉伸過程中沖擊附近位置的長桁和壁板發生脫粘。

3 結果對比

考慮到壁板的左右對稱，針對整個結構中比較典型的位置處應變片的數值與模擬過程中的數值進行比較.

在復合材料大開口附近的幾個典型應變片位置中，常規殼單元建模模擬出的結果更接近試驗值，而在遠離大開口的位置連續殼單元建模模擬的結果更接近試驗值，考慮到可能由于在大開口附近嚴重的應力集中導致原本厚度就比較小的連續殼單元網格更加扭曲，出現嚴重變形而導致結果出現失真。有些位置有限元的模擬結果和試驗結果在剛加載階段差距比較大，但是在接近300%極限載荷時比較接近，考慮到可能因為試驗件長度比較大，導致在加載過程中出現偏心，從而在加載初期出現模擬與試驗之間的偏差。有些位置有限元模擬結果跟試驗結果差距比較大，考慮可能在試驗過程中由于長桁與壁板出現脫粘造成。

4 結論

（1）應用有限元模擬拉伸過程與試驗結果基本吻合，說明本文有限元建模方法具有較好的精度，因此應用此種方法可對不同構型及尺寸參數的壁板進行模擬分析，從而為進行結構優化設計及工程應用提供參考。

（2）復合材料開口壁板補強之后，結構安全可靠，滿足工程要求。

參考文獻

[1] 杜善義.先進復合材料與航空航天[J].復合材料學報，2007，24（1）：1-12.

[2] Zimmermann R，Klein H，Kling A.Buckling and post-buckling of stringer stiffened fibre composite curved panels-Tests and computations. Composite Structures，2006.endprint

摘 要：采用兩種建模方法對復合材料壁板大開口結構進行拉伸模擬，第一種采用SC8R連續體殼單元離散，第二種采用S4R常規殼單元離散，并將兩種模擬結果與試驗結果進行分析比較，驗證有限元模型的準確性，并分析模擬與試驗結果出現偏差的原因。 試驗及模擬結果表明壁板開孔補強方法有效，滿足工程使用要求。

關鍵詞：復合材料 開孔壁板 拉伸 有限元

中圖分類號：V224 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）08（b）-0081-01

復合材料以其比強度高，比剛度大、可設計性強、抗疲勞斷裂性能好和耐腐蝕等優點大面積應用于飛機結構設計中[1]。在飛機結構設計中，機體主承力結構占總重量的70%以上，所以為了獲得明顯的減重效益，就必須將復合材料應用于主承力結構上。復合材料加筋壁板是工程中應用比較廣泛的一種結構，由于維修和裝配等原因，常常在壁板上設置口蓋，導致開口部位出現很大應力集中，為了保證結構的使用安全，常常需要對結構進行強度分析[2]。

1 試驗方案

本次試驗的極限載荷為400 kN，限制載荷為268 kN，溫度：（23±3）℃；相對濕度：（50±5）%。考慮環境影響，環境影響因子1.2。共布置應變花24個，單軸應變計116個。以5%極限載荷為級差，加載至50%極限載荷，然后以2%極限載荷為級差，加載至100%極限載荷，最后以1%極限載荷為級差加載至300%極限載荷，加載完成后卸載。

2 有限元模型

第一種有限元模型：復合材料大開孔壁板和長桁均采用SC8R連續體殼單元離散，同時在蒙皮和長桁之間預置一層粘接元，粘接元采用COH3D8單元模擬。對于鋪層遞減區域，首先在三維模型里劃分出相應的區域，然后對體殼單元賦予鋪層屬性時，只需要設置為遞減之后的鋪層屬性即可，這種建模方法簡單易懂，且耗時較短。

第二種有限元模型：復合材料大開孔壁板和長桁均采用S4R常規殼單元離散，同時在蒙皮和長桁之間預置一層粘接元，粘接元采用COH3D8單元模擬。

在300%極限載荷情況下，結構最大縱向拉伸應變均出現在復合材料壁板大開孔周圍，第一種有限元模型最大縱向拉伸應變為8053，第二種有限元模型最大縱向拉伸應變為9717。第一種模型與實驗值8550更為接近。兩種建模方法下的結構剛度，第一種略大于第二種，整個加載過程中曲線的斜率并未出現變化，也未出現明顯的掉載點，說明整個過程中整個結構剛度基本沒有變化，整個結構在模擬過程中未出現破壞，這與試驗結果基本符合。與模擬結果不相符的是在試驗過程中，首先脫粘的位置是大開孔上方長桁與壁板之間，考慮可能是預制沖擊損傷時，由壁板內側向外側沖擊時，造成長桁與壁板間的界面性能下降，因此在拉伸過程中沖擊附近位置的長桁和壁板發生脫粘。

3 結果對比

考慮到壁板的左右對稱，針對整個結構中比較典型的位置處應變片的數值與模擬過程中的數值進行比較.

在復合材料大開口附近的幾個典型應變片位置中，常規殼單元建模模擬出的結果更接近試驗值，而在遠離大開口的位置連續殼單元建模模擬的結果更接近試驗值，考慮到可能由于在大開口附近嚴重的應力集中導致原本厚度就比較小的連續殼單元網格更加扭曲，出現嚴重變形而導致結果出現失真。有些位置有限元的模擬結果和試驗結果在剛加載階段差距比較大，但是在接近300%極限載荷時比較接近，考慮到可能因為試驗件長度比較大，導致在加載過程中出現偏心，從而在加載初期出現模擬與試驗之間的偏差。有些位置有限元模擬結果跟試驗結果差距比較大，考慮可能在試驗過程中由于長桁與壁板出現脫粘造成。

4 結論

（1）應用有限元模擬拉伸過程與試驗結果基本吻合，說明本文有限元建模方法具有較好的精度，因此應用此種方法可對不同構型及尺寸參數的壁板進行模擬分析，從而為進行結構優化設計及工程應用提供參考。

（2）復合材料開口壁板補強之后，結構安全可靠，滿足工程要求。

參考文獻

[1] 杜善義.先進復合材料與航空航天[J].復合材料學報，2007，24（1）：1-12.

[2] Zimmermann R，Klein H，Kling A.Buckling and post-buckling of stringer stiffened fibre composite curved panels-Tests and computations. Composite Structures，2006.endprint