鋁蜂窩結(jié)構(gòu)彎曲損傷規(guī)律仿真分析及研究

摘 要：為快速定位鋁蜂窩結(jié)構(gòu)彎曲損傷部位，通過(guò)有限元分析方法開(kāi)展鋁蜂窩結(jié)構(gòu)彎曲損傷規(guī)律分析及研究，獲得了鋁蜂窩結(jié)構(gòu)試件在彎曲狀態(tài)下的變形、應(yīng)變、應(yīng)力狀態(tài)分布規(guī)律，給出了在彎曲狀態(tài)下變形、應(yīng)變、應(yīng)力最大值的分布形式，為快速定位鋁蜂窩結(jié)構(gòu)損傷提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鋁蜂窩；損傷規(guī)律；仿真分析

中圖分類號(hào)：TG115.28" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1671-0797（2024）14-0026-08

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.14.006

0" " 引言

鋁蜂窩結(jié)構(gòu)受正壓力或側(cè)壓力時(shí)易產(chǎn)生分層等損傷。該類結(jié)構(gòu)是如何產(chǎn)生損傷的，產(chǎn)生損傷的具體原因是什么，什么部位容易產(chǎn)生損傷，產(chǎn)生損傷時(shí)損傷是如何分布的，是開(kāi)展無(wú)損檢測(cè)時(shí)值得關(guān)注的主要問(wèn)題[1-3]。

為獲得鋁蜂窩結(jié)構(gòu)試件受正壓和側(cè)壓后的變形、應(yīng)變、應(yīng)力分布規(guī)律，減小計(jì)算的工作量，本文在對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)試件受力分析時(shí)簡(jiǎn)化了受力模型，僅考慮單純受正壓或側(cè)壓時(shí)蜂窩結(jié)構(gòu)試件的變形、應(yīng)變、應(yīng)力情況，獲得其分布規(guī)律，并進(jìn)行對(duì)比分析，總結(jié)鋁蜂窩結(jié)構(gòu)試件變形、應(yīng)變、應(yīng)力分布的共同點(diǎn)和不同點(diǎn)[4-5]。

1" " 鋁蜂窩結(jié)構(gòu)模型的建立

蜂窩結(jié)構(gòu)試件仿真模型參數(shù)如表1所示，根據(jù)模型參數(shù)建立蜂窩結(jié)構(gòu)模型。

無(wú)損傷鋁蜂窩結(jié)構(gòu)試件和有損傷結(jié)構(gòu)試件分析模型、結(jié)構(gòu)示意圖如圖1、圖2所示，分別對(duì)該試件施加豎直向下的壓力P和水平向左的壓力P′，使得該試件分別向下彎曲和向左壓縮，獲得變形、應(yīng)變、應(yīng)力變化圖，得到變形、應(yīng)變、應(yīng)力變化規(guī)律，給出試件的損傷趨勢(shì)分布特征，并通過(guò)無(wú)損傷和有損傷鋁蜂窩結(jié)構(gòu)試件變形、應(yīng)變、應(yīng)力分布規(guī)律的對(duì)比分析，獲得變形、應(yīng)變、應(yīng)力受分層損傷影響時(shí)的變化規(guī)律和分布規(guī)律。

2" " 鋁蜂窩結(jié)構(gòu)試件彎曲損傷規(guī)律

鋁蜂窩懸臂梁結(jié)構(gòu)試件受力簡(jiǎn)圖如圖3所示，將試件一端固定，另一端處于自由狀態(tài)，施加豎直向下的壓力P，觀察鋁蜂窩結(jié)構(gòu)無(wú)損傷和有損傷的變形情況。

壓力P分別取100、300、500、700 N時(shí)，鋁蜂窩結(jié)構(gòu)試件的變形情況如圖4、圖5所示。

鋁蜂窩結(jié)構(gòu)試件受豎直向下的壓力P時(shí)，自由端向下產(chǎn)生的變形最大，固定端產(chǎn)生的變形最小，由自由端到固定端方向，向下產(chǎn)生的變形逐漸變小，該結(jié)果與懸臂梁的理論計(jì)算分析相吻合。在一定的豎直向下的壓力范圍內(nèi)，鋁蜂窩結(jié)構(gòu)試件的變形規(guī)律相同，無(wú)損傷的鋁蜂窩試件和有損傷的鋁蜂窩試件變形規(guī)律基本相同。壓力P分別取100、300、500、700 N時(shí)的最大變形曲線如圖6所示，壓力—變形數(shù)據(jù)如表2所示。

在一定的豎直向下的壓力范圍內(nèi)，無(wú)損傷鋁蜂窩結(jié)構(gòu)試件的最大變形和有損傷鋁蜂窩結(jié)構(gòu)試件的最大變形均與壓力P呈線性比例關(guān)系，隨著壓力P的增大，最大變形逐漸增大，該結(jié)果與懸臂梁最大撓度的理論計(jì)算分析相吻合。壓力P分別取100、300、500、700 N時(shí)，無(wú)損傷鋁蜂窩結(jié)構(gòu)試件和有損傷鋁蜂窩結(jié)構(gòu)試件的應(yīng)變、應(yīng)力變化規(guī)律如圖7～10所示。

無(wú)損傷鋁蜂窩結(jié)構(gòu)試件和有損傷鋁蜂窩結(jié)構(gòu)試件受豎直向下的壓力P時(shí)，應(yīng)變、應(yīng)力主要分布于靠近固定端的增強(qiáng)體處，基體上的應(yīng)變、應(yīng)力沒(méi)有明顯變化，靠近固定端產(chǎn)生的應(yīng)變、應(yīng)力最大，自由端產(chǎn)生的應(yīng)變、應(yīng)力最小，由自由端到固定端方向，產(chǎn)生的應(yīng)變、應(yīng)力逐漸變大，且在固定端由中線面到上下表面的應(yīng)變、應(yīng)力逐漸增大，較大值主要集中在靠近固定端的上下表面膠層處。在一定的豎直向下的壓力范圍內(nèi)，無(wú)損傷和有損傷的鋁蜂窩結(jié)構(gòu)試件應(yīng)變與應(yīng)力的變化規(guī)律基本相同。該結(jié)果表明，有20 mm大小的脫粘損傷基本上不會(huì)影響鋁蜂窩結(jié)構(gòu)試件的應(yīng)變、應(yīng)力變化規(guī)律。

無(wú)損傷和有損傷的鋁蜂窩結(jié)構(gòu)試件應(yīng)變最大值位置基本上未發(fā)生改變；無(wú)損傷和有損傷的鋁蜂窩結(jié)構(gòu)試件的應(yīng)力最大值位置發(fā)生了明顯改變，無(wú)損傷鋁蜂窩結(jié)構(gòu)試件的應(yīng)力最大值位于靠近固定端的下表面膠層處，有損傷鋁蜂窩結(jié)構(gòu)試件的應(yīng)力最大值位于靠近固定端的中線面處，由此推斷有20 mm大小的脫粘損傷可能會(huì)影響應(yīng)力最大值的分布，進(jìn)而影響因受力而產(chǎn)生的新的損傷的分布。鋁蜂窩結(jié)構(gòu)試件未發(fā)生應(yīng)力奇異，該結(jié)果進(jìn)一步表明鋁蜂窩結(jié)構(gòu)試件的受力由復(fù)合材料的基體傳遞給了復(fù)合材料的增強(qiáng)體，符合復(fù)合材料中力的傳遞路徑。

針對(duì)懸臂梁，理論分析認(rèn)為固定端屬于應(yīng)力集中處，應(yīng)變、應(yīng)力最大處位于固定端，但鋁蜂窩結(jié)構(gòu)試件的應(yīng)變最大值、應(yīng)力最大值位置發(fā)生了明顯變化，推測(cè)原因是蜂窩芯以及上下表面膠層的作用改變了應(yīng)變最大值、應(yīng)力最大值的分布。壓力P分別取100、300、500、700 N時(shí)的應(yīng)變最大值、應(yīng)力最大值如圖11、圖12所示，壓力—應(yīng)變數(shù)據(jù)、壓力—應(yīng)力數(shù)據(jù)分別如表3、表4所示。

在一定的豎直向下的壓力范圍內(nèi)，應(yīng)變、應(yīng)力與壓力P呈線性比例關(guān)系，隨著壓力P的增大，最大應(yīng)變、最大應(yīng)力逐漸增大。根據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變計(jì)算公式與撓度計(jì)算公式，可進(jìn)一步驗(yàn)證上述結(jié)果的正確性。該結(jié)果與懸臂梁的應(yīng)變、應(yīng)力理論計(jì)算分析相吻合。

圖13～18展示了無(wú)損傷鋁蜂窩結(jié)構(gòu)試件和有損傷鋁蜂窩結(jié)構(gòu)試件中蜂窩芯和上表面膠的變形、應(yīng)變、應(yīng)力變化規(guī)律。

由圖13和圖14可知，無(wú)損傷鋁蜂窩結(jié)構(gòu)試件和有損傷鋁蜂窩結(jié)構(gòu)試件中蜂窩芯、上表面膠的變形規(guī)律與鋁蜂窩結(jié)構(gòu)試件整體變形規(guī)律相同。由圖15～18可知，無(wú)損傷鋁蜂窩結(jié)構(gòu)試件和有損傷鋁蜂窩結(jié)構(gòu)試件中蜂窩芯的應(yīng)變較大值、應(yīng)力較大值主要分布于靠近固定端的位置，表明該處容易產(chǎn)生損傷。由圖15～18和圖7～10可知，無(wú)損傷鋁蜂窩結(jié)構(gòu)試件和有損傷鋁蜂窩結(jié)構(gòu)試件中上表面膠的應(yīng)變、應(yīng)力分布規(guī)律與基體的應(yīng)變、應(yīng)力分布規(guī)律相同。

3" " 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了鋁蜂窩結(jié)構(gòu)試件在彎曲狀態(tài)下的變形、應(yīng)變、應(yīng)力狀態(tài)分布規(guī)律，給出了在彎曲狀態(tài)下變形、應(yīng)變、應(yīng)力最大值的分布形式，找出了鋁蜂窩結(jié)構(gòu)試件在無(wú)損傷和有損傷彎曲狀態(tài)下的損傷分布規(guī)律，分析了蜂窩芯、上表面膠在無(wú)損傷和有損傷時(shí)處于彎曲狀態(tài)和側(cè)壓狀態(tài)的變形、應(yīng)變、應(yīng)力分布規(guī)律，獲得了鋁蜂窩結(jié)構(gòu)試件在無(wú)損傷和有損傷時(shí)彎曲狀態(tài)下的變形曲線、應(yīng)變曲線、應(yīng)力曲線。該損傷規(guī)律可為快速定位鋁蜂窩結(jié)構(gòu)損傷部位并開(kāi)展檢測(cè)工作提供理論指導(dǎo)和依據(jù)，提高檢測(cè)效率，以更好更快地完成無(wú)損檢測(cè)工作。

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收稿日期：2024-03-20

作者簡(jiǎn)介：張聯(lián)合（1989—），男，山東沂水人，碩士研究生，高級(jí)工程師，從事復(fù)合材料工藝研發(fā)工作。