縫紉泡沫夾層結(jié)構(gòu)屈曲研究

馬元春

（中航工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心，北京101300；中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京101300）

縫紉泡沫夾層結(jié)構(gòu)屈曲研究

馬元春

（中航工業(yè)復(fù)合材料技術(shù)中心，北京101300；中航復(fù)合材料有限責(zé)任公司，北京101300）

縫紉復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)由于其具有優(yōu)異的性能，已經(jīng)獲得了實(shí)際應(yīng)用。在航空工程中，這種新型結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于壁板類制件，而屈曲是壁板類制件的主要破壞形式。因此，對(duì)縫紉復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈曲研究是十分必要的。通過(guò)對(duì)縫紉泡沫夾層結(jié)構(gòu)進(jìn)行屈曲試驗(yàn)，并利用有限元法進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好。

縫紉；復(fù)合材料；泡沫夾層結(jié)構(gòu)；屈曲試驗(yàn)

本文對(duì)該種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)并結(jié)合理論進(jìn)行了有限元的計(jì)算分析驗(yàn)證，旨在為工程應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)研究

VARI成型縫紉復(fù)合材料夾層板，面內(nèi)尺寸（除去夾持部分）為12 000 mm2，面板材料為T300簾子布/BA9911，鋪層順序?yàn)閇45/－45/0/90/0/-45]S（0°鋪層與長(zhǎng)邊方向相同）。面板名義厚度為1.76 mm，夾層為ROHACELL51WF，厚度為5 mm。采用改進(jìn)的鎖式縫紉，縫紉面線為1 500旦的Kevlar29纖維，底線為400旦的Kevlar29纖維，平行于鋪層0°方向縫合。縫紉針距為8 mm，行距為8 mm。試驗(yàn)裝置如圖1所示，對(duì)縫紉夾層板進(jìn)行側(cè)邊壓縮，壓縮載荷作用于短邊。試件的破壞模式如圖2和圖3所示。卸載前試樣發(fā)生明顯屈曲，在卸載后基本恢復(fù)原狀。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

圖1 縫紉夾層板屈曲試驗(yàn)

圖2 試件失穩(wěn)模式（卸載前）

圖3 試件失穩(wěn)模式（卸載后）

圖4 縫紉夾層結(jié)構(gòu)有限元模型

表1 縫紉夾層板的屈曲性能

2 理論分析

對(duì)于結(jié)構(gòu)形式和邊界條件比較簡(jiǎn)單的夾層結(jié)構(gòu)，可采用狀態(tài)空間的方法求得屈曲性能的精確解析解，也可以采用簡(jiǎn)化算式和圖表并用的工程算法，應(yīng)用最普遍的是有限元法。

T300簾子布/BA9911的彈性常數(shù)為：E1=116.7 GPa，E2=9.1 GPa，v1=0.285，G12=4.4 GPa。泡沫ROHACELL51WF的彈性常數(shù)E=75 MPa。

圖5 縫紉夾層結(jié)構(gòu)屈曲模態(tài)

利用以往的理論分析可得到縫紉泡沫板的工程常數(shù)，將其作為基本輸入，采用限元方法，對(duì)這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體屈曲性能分析。在PATRAN中建立的縫紉復(fù)合材料泡沫夾層結(jié)構(gòu)模型如圖4所示。面板采用shell元，泡沫采用quad4體單元，求得屈曲載荷為18.70 kN，屈曲模態(tài)如圖5所示，與試驗(yàn)結(jié)果擬合較好。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)縫紉泡沫夾層結(jié)構(gòu)屈曲試驗(yàn)和有限元的計(jì)算結(jié)果的對(duì)比表明，采用有限元方法可以準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)縫紉復(fù)合材料泡沫夾層板的屈曲性能。

［1］中國(guó)航空研究院.復(fù)合材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析指南［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2002.

〔編輯：張思楠〕

TB332

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.18.048

2095－6835（2017）18－0048－02

馬元春（1973—），男，高工，研究方向?yàn)閺?fù)合材料結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度。