碳纖維增強泡沫鋁夾芯梁彎曲性能數值模擬

郭 昕

（中國石油天然氣股份有限公司重慶銷售涪陵分公司， 重慶 408000）

0 引言

復合材料夾層結構由于其結構合理，質量輕等特點而被廣泛應用于航空航天、建筑工程、造船、交通等領域中。根據夾層結構所使用的芯材種類和形式的不同，夾層結構可分為：泡沫夾層結構，蜂窩夾層結構，梯形板夾層結構。泡沫鋁夾層結構是一種新型的夾層結構。由于泡沫鋁材料本身的具有一定的剛度與強度，較其它泡沫材料具有更好地力學性能及延性，故這種新型結構的應用前景較為廣闊。從目前發展現狀來看，泡沫鋁夾芯件有比單純泡沫鋁材料更為廣泛的應用。[1]。

目前，關于泡沫鋁夾層結構力學性能研究的相關文獻較多。而關于碳纖維增強泡沫鋁夾層結構的文獻較少。故本文運用有限元對碳纖維增強泡沫鋁夾芯梁的三點性能進行了數值模擬研究。

本文基于ANSYS軟件，對泡沫鋁夾芯梁的力學性能進行了數值模擬研究。同時，提出一種新型的夾層結構－碳纖維增強泡沫鋁夾芯梁。并對這種新型結構的力學性能與泡沫鋁夾芯梁的力學性能進行了對比。

1 模型及材料參數

圖1為泡沫鋁夾芯梁的計算模型。面板厚度為t，泡沫鋁芯層厚度為C，計算跨度為L，梁外伸長度為H，施加荷載的加壓板寬為a，外加力為F，梁寬為b=10mm。碳纖維增強層設置在下面板與泡沫鋁中間。等效厚度為n。

圖1 為泡沫鋁夾芯梁計算模型

面板與泡沫鋁材料本構模型取為雙線性隨動強化材料模型。碳纖維材料的本構模型取為線彈性模型。材料的破壞通過考查材料的最大應變是否達到材料的極限應變判定。各個材料的材料參數取值如下表：

表1 材料參數表

計算中梁的幾何參數如下：t=1mm，C=20mm，L=100mm，H=10mm，a=10mm，n=0.111mm。主要考查梁的力－位移曲線的變化規律。

2 單元介紹

計算單元采用ANSYS提供的高精度平面二維單元plane82與實體單元Solid46共同分析完成。PLANE82單元,它是八個節點(I、J、K、L、M、N、O、P)二維結構實體單元。PLANE82單元一般為四邊形。通過定義相同節點號的K、L、O也可形成三角形單元。Plane82單元可通過實常數（Thk）定義Z方向（平面法線方向）的厚度。這樣就可以實現指定梁的寬度，可用于分析夾層梁在荷載作用下的力學性能。

3 計算結果分析

圖2 夾層梁模型圖

圖2到圖5為計算結果圖。

圖2顯示梁變形前后的對比圖。由圖可以看出，夾芯梁變形符合三點彎曲實際情況?？缰形恢梦灰谱畲?，而兩端位移為零。與實體梁變形基本類似。同時也看出夾芯梁在三點彎曲作用下，芯材存在壓縮的情況。

圖3 梁應變圖

圖3的應變圖非常明顯顯示在夾芯梁跨中位置上面板發生了明顯的塑性變形，而且塑性變形的量值最大。其次，梁跨中下面部面板塑性變形較梁兩端的塑性變形值大。在力作用點處發生了應力集中現象。

圖4 梁有無碳纖維增強力－位移曲線圖

4 顯示增加碳纖維層后，泡沫鋁夾芯梁跨中變形的對比圖，由圖可以看出，增加碳纖維能有效提高夾芯梁在集中力作用下的受彎承載力，隨著作用力的增加，提高的比例越來越多。

4 結論

通過數值模擬研究了泡沫鋁芯梁在集中力作用下的變形能力，同時分析了增加碳纖維前后梁的變形差異?？傻贸鲆韵聨c結論：

1、運用平面二維單元與實體單元可以模擬出與實際情況相類似的受彎性能。是一種經濟且高效的研究泡沫鋁夾芯梁的手段。

2、增加碳纖維增強層能提高泡沫鋁夾芯梁在集中荷載作用下的力學性能，減小泡沫鋁夾芯梁在集中荷載作用下的跨中變形值。當梁受到的集中力越大，增強效果越好。