復(fù)合材料受剪梁腹板穩(wěn)定性試驗(yàn)及數(shù)值分析

尹劍

摘 要：復(fù)合材料在民機(jī)中的運(yùn)用范圍逐漸由非主承力結(jié)構(gòu)向主承力結(jié)構(gòu)過渡。以某型民機(jī)水平安定面復(fù)合材料后梁腹板為研究對象，針對不同的腹板開口形式，通過靜力試驗(yàn)與有限元分析相結(jié)合的方式，研究復(fù)合材料梁腹板在剪切載荷作用下的穩(wěn)定性問題，經(jīng)過比較，有限元分析的結(jié)果與靜力試驗(yàn)結(jié)果較為吻合，并從試驗(yàn)結(jié)果中得到了復(fù)合材料梁腹板結(jié)構(gòu)的后屈曲能力。

關(guān)鍵詞：開口 復(fù)合材料 梁腹板 穩(wěn)定性 有限元

中圖分類號：V22 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）07（c）-0063-02

復(fù)合材料由于較大的比強(qiáng)度及比剛度的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，在飛機(jī)上的應(yīng)用范圍也逐步由整流罩等非主承力結(jié)構(gòu)向機(jī)翼、尾翼等主承力結(jié)構(gòu)過渡。某型民機(jī)采用T800級復(fù)合材料作為水平安定面復(fù)合材料梁結(jié)構(gòu)的主要材料。與金屬梁結(jié)構(gòu)類似，復(fù)合材料梁腹板經(jīng)常會由于工藝安裝、減重等方面的需求，在腹板上進(jìn)行各種尺寸的開口。根據(jù)開口目的及具體位置的不同，開口形狀分為圓形、長圓形及菱形等。由于開口切斷了腹板的連續(xù)纖維，同時在孔邊形成高應(yīng)力區(qū)，直接降低開口區(qū)腹板結(jié)構(gòu)在靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度[1]方面的性能。

該文以某型民機(jī)水平安定面復(fù)合材料后梁受剪腹板為研究對象，選取后梁腹板某處典型位置的鋪層、幾何尺寸，通過工程分析方法與有限元分析相結(jié)合的方式研究受剪腹板的穩(wěn)定性問題，并進(jìn)行了相應(yīng)結(jié)構(gòu)的剪切穩(wěn)定性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明理論分析與試驗(yàn)具有較高的一致性。

1 梁腹板剪切穩(wěn)定性試驗(yàn)

梁腹板剪切穩(wěn)定性試驗(yàn)件考核區(qū)長340 mm，寬280 mm，腹板的鋪層為[45/-45/0/45/0/-45/90/45/0/-45]s，單層厚度0.188 mm，共20層，厚度為3.76 mm，腹板材料為T800級單向帶，單層厚度0.188 mm。試驗(yàn)件共四組，在無開口梁腹板試驗(yàn)件的基礎(chǔ)上，增加梁腹板小菱形開口、大菱形開口以及圓形開口三組的試驗(yàn)件，考慮復(fù)合材料的分散性，每組試驗(yàn)件各6件，無開口試驗(yàn)件的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

通過施加對角拉伸載荷對梁腹板試驗(yàn)件進(jìn)行剪切穩(wěn)定性試驗(yàn)。試驗(yàn)件的短邊粘貼2 mm厚度玻璃纖維補(bǔ)強(qiáng)板，裝載至250 t級MTS靜力試驗(yàn)機(jī)，通過一端夾持一端加載的方式進(jìn)行試驗(yàn)，加載速率為2 mm/min。

2 有限元分析簡介

以梁腹板穩(wěn)定性試驗(yàn)件為基礎(chǔ)，利用PATRAN進(jìn)行建模，試驗(yàn)件所用材料T800級材料的力學(xué)性能如表1所示。梁腹板結(jié)構(gòu)采用殼元（PSHELL）進(jìn)行模擬，單元類型為QUAD4單元，模型邊界施加簡支約束，以模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)中梁腹板的邊界條件，并在四個邊施加單位載荷。提交NASTRAN進(jìn)行SOL105屈曲模塊進(jìn)行求解，得到梁腹板的初始屈曲載荷。

3 有限元分析與試驗(yàn)結(jié)果對比分析

3.1 屈曲波形對比

根據(jù)有限元分析和剪切穩(wěn)定性試驗(yàn)分別得到試驗(yàn)件的屈曲波形，分析得到兩種方法得到的波形基本相同。以無開口梁腹板試驗(yàn)件為例，如圖2所示。

從圖2中可以看出，剪切屈曲波均為沿對角拉伸方向，最終試驗(yàn)件的破壞模式也與預(yù)期破壞模式相符，均為沿對角拉伸方向腹板剪切失穩(wěn)破壞。

3.2 初始屈曲載荷對比

根據(jù)有限元分析和剪切穩(wěn)定性試驗(yàn)分別得到試驗(yàn)件的初始屈曲載荷，如表2所示。從表2中的數(shù)據(jù)可以看出，有限元分析得到的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)接近。

3.3 后屈曲研究

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)往往具有一定的后屈曲能力，即結(jié)構(gòu)在進(jìn)入屈曲后仍能承受載荷直至最終破壞。從試驗(yàn)結(jié)果可以得到四種結(jié)構(gòu)的梁腹板試驗(yàn)件的后屈曲能力，如表3所示，從表中可知復(fù)合材料梁腹板結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的后屈曲能力。

4 結(jié)語

通過對復(fù)合材料梁腹板結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析以及穩(wěn)定性試驗(yàn)，對兩種分析結(jié)果進(jìn)行對比，得到如下結(jié)論：

通過有限元分析得到的受剪腹板的剪切屈曲波形與試驗(yàn)結(jié)果較為一致，理論初始屈曲載荷與試驗(yàn)值符合較好；

復(fù)合材料梁腹板在剪切載荷下具有較強(qiáng)的后屈曲能力，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中可以考慮此特性，達(dá)到結(jié)構(gòu)減重的目的。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙偉棟，李衛(wèi)芳.碳/KH-304復(fù)合材料構(gòu)件開口補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)研究[J].宇航材料工藝， 2003（1）：40-52.endprint