内压载荷下夹层复合材料圆筒开口分析.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/内压载荷下夹层复合材料圆筒开口分析杨仲,张博明,孙新杨哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所,哈尔滨以摘要用理论和数值方法分析内压载荷下夹层复合材料在开口附近的应力集中将夹层复合材料圆筒内压问题简化为压 力随洞模型,得出孔口所处的局部力学环境,应用该 力学环境作为有限元模型边界条件施加在孔口局部区域,分析得出孔口应力集中情况结果表明孔口面内应力集中主要分布在一倍半径范围内,是产生面内损伤的原因这些细观力学特征将为进一步开口补强设计提供理论依据关键词复合材料开口补强有限元夹层结构前言泡沫夹层复合材料是一种典型的结构,面板采用强度和刚度较高的层合板。层合板由碳纤细环氧树脂或玻璃纤维环氧树脂以不同的铺设角铺设而成。类似于蜂窝夹心材料,泡沫夹层复合材料具有重量轻、省纤维、抗弯刚度高等优点,使得该结构材料应用日益增多。由于结构装配或功能要求,常常需要在层板上打孔或开口,承载时这些局部区域会引起的孔边缘应力集中孔所在的局部区域强度将会下降局部区域会产生变形不协调等不利影响。因此,在结构设计过程中考虑对开口部位进行力学分析和结构补强是必须要做的工作。虽然复合材料有诸多优点,但与金属完全不同的力学性能又给分析和设计带来困难。目前在金属材料方面的开口分析和补强问题,国内外已经做了很多的研究。在复合材料方面,目前只有层合板等简单结构的开口补强有大量研究,而针对泡沫夹层复合材料圆筒的开口分析补强问题研究较少,更没有成型的补强规范。本文将夹层复合材料圆筒内压问题简化为压力隧洞模型,利用弹性力学方程得出面内应力解析解该应力场作为近视边界条件施加在孔口远端材料上,用有限元分析得出孔口边缘的应力分布,为进一步开口补强设计提供理论依据。型可 以被描述为一个弹性体内部有一个圆柱隧洞,隧洞内侧受到均布内压,如图所示该模型在方向完全对称,建立极坐标系,利用轴对称体弹性力学结论,一粼一产一一声一产护】氏凡一,一与几,二二卜卜卜一卜卜 卜卜比二二共共共图压力隧洞模型示意图轴对称弹性体模型压力隧洞模型压力隧洞是指承受一定均匀内压的隧洞,该模其中隧洞内半径隧洞外半径内压值外外压值弹性模量产泊松比向应力即助向应力剪切应力 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/径向位移均向角位移为任意常量 由下列边界条件确定与,二。,与,二。二久二。一,氏动一乳将式代入式应用位移单值条件得到筒壁应力应变分布一一久一丽丁不一二燕了乳几一丽丁万乳一厂丽了“,一,“,一,、产飞户、尸工护户、了、工一一一一尽一一一其中,乳一乳一,。全全选竺圆筒分析纤维复合材料圆筒的内外蒙皮由很多单层纤维铺设而成,其整体性能可以看成是正交各向异性的层板。通过复合材料层合板理论,可以得出内外蒙皮的整体性能。这样内压圆筒可以分成层,如图所示。应用第一节的理论可 以分析出内压载荷下各层的接触应力和层内环向张力。该结果可以直接施加在含孔局部区域,进一步分析孔对结构的影响。圆筒结构与材料属性取一定尺寸和铺层顺序的夹层圆筒为例,其内外蒙皮由高强玻璃纤维单向布铺设而成,中间为泡沫材料。单层高强玻璃纤维的材料属性为一,场,一,产旬铺层方式为内蒙皮外蒙皮单层板厚度为一,圆孔孔边应力集中受力的弹性体具有小孔,则孔边的应力将远大于无孔时的应力,这种现象称为孔边应力集中。孔边应力集中是局部现象,在儿倍孔径以外,应力的分布情况以及数值大小都几乎与无孔时相同。集中的程度越高,集中的现象越是局部的,应力随着距孔的距离增大而越快地趋于无孔时于勺立力。那么圆孔周围应力集中区域大小将为补强块尺寸提供依据。对于矩形薄板,在离边界较远处有半径的小圆孔,在左右两边受均布拉力,其集度为图,在极坐标系下应用弹性力学基本方程加上边界条图圆筒截面尺寸图通过层合板理论得出整体性能见表。表夹层结构各层的几何材料参数内内内半半外半半一一凡产佃佃佃卿内内蒙皮皮日日日日泡泡沫层层外外蒙皮皮一一一一一一一一图圆孔平板拉仲件式得到孔边应力分布式。,二。叮,二。,几二。,圆筒内压载荷分析在内压载荷下,夹层圆筒各层之间存在接触压力 如图,应用节的结论可以求解该压力值。池沫一外,皮先、,尸口口、甘了、,鲁一芳警一谷一攀,“专井一警子,“吞,岑,“厂一今一一一图内乐载荷下层间接触床力 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/设内蒙皮与泡沫层接触压力为外蒙皮与泡沫层接触压力为。将表数据代入式,再利用接触边界条件,八二马凡,二、,得到接触压力分别为二,叽图圆孔孔边应力集中解析解代回到式得到各层环向张力见图内蒙皮几。叮。泡沫层几一外蒙皮几口。外策皮图矿几引十二丁戈艺有限元分析圆孔孔边应力集中互匕、,表列出解析和有限元分析,。环向的应力分布表孔口。方向的拉伸应力分布硬雄低嘴泡沫塑料图内策皮局部等效应力载荷孔口局部分析由得到圆筒在内压载荷作用下,各层等效载荷如图,在含有圆孔局部区域可以近视成如图结构。在等效应力边界条件下,通过解析解和有限元方法分析孔口局部区域的应力分布。口口口口解解析几有有限元元乳乳乳乳乳乳由计算结果得到在孔口边缘方向应力集中达到最大值,应力集中度为随着离孔距离增加环向应力逐渐减小,当离孔为倍半径时,应力基本恢复为远场值。结论外蒙皮泡沫夹心内蒙皮图孔口局部区域应用节的圆孔拉伸理论,得到各层在等效应力载荷下的面内应力分布如图。同时应用有限元计算该模型得到孔边应力分布如图,比较得到理论和数值计算结果基本一致。在孔边缘有较大应力集中,对于复合材料层合板类均匀材料集中度大概为,分布在度环向方向。由乍结论,沿轴,环向正应力是本文通过半解析半数值方法得出夹层 圆简内压载荷下结构响应,以及开口对结构的影响分析。将夹层复合材料圆筒内压问题简化为压力隧洞模型,利用弹性力学方程得出各层应力解析解。该应力场作为近视边界条件施加在孔口远端材料上,用有限元分析得出孔口边缘的应力分布。计算结果表明面内载荷在孔口边缘方向应力集中达到最大值,应力集中度为随着离孔距离增加环向应力逐渐减小,当离孔为倍半径时,应力基本恢复为远场值。该应力可能引起层内的撕裂破坏。蒙皮和泡沫的变形不协调导致两者之间 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/层间应力在孔边缘存在巨大的应力集中,使得圆筒集中有待进一步分析。该结果将为内压圆筒的开口在较小的内压作用下就会发生层间开裂,层间应力补强提供理论依据。参考文献何伟利用“分析复合材料夹层结构计算机辅助工程,吞张永吕有限元分析理论基础与应用北京科学出版社,徐芝纶弹性力学】北京高等教育出版社,朱西乙,毛坤,韩小平,岳珠峰含孔复合材料层板的力学性能研究机械科学与技术,一赵伟栋 李一芳碳一复合材料构件开口补强技术研究【宇航材料工艺,工震鸣 复合材料力学和复合材料结构力学附北京机械工业出版社,韩鸿华刘洋明复合材料和钦合金开孔平板的有限元分析内蒙古工业大学学报,一,一脚一,【以代一甘产甘护作者简介杨仲,男,年出生,博士研究生,主要研究方向为复合材料界面研究。一一、傲,一,一,一脚一一