復(fù)合材料加筋壁板壓縮試驗(yàn)研究與仿真分析

田甜+張帆+許健

摘 要：文章對(duì)含預(yù)埋筋條膠接缺陷的復(fù)合材料加筋板進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)，研究了不同長(zhǎng)度膠接缺陷對(duì)復(fù)合材料加筋結(jié)構(gòu)破壞形式和破壞強(qiáng)度的影響。并建立了含筋條膠接缺陷復(fù)合材料加筋板的非線性有限元分析模型，研究結(jié)構(gòu)的后屈曲行為、脫粘擴(kuò)展細(xì)節(jié)和破壞機(jī)理。有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，證明了該模型及分析方法的有效性。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；加筋壁板；壓縮試驗(yàn)；仿真

中圖分類號(hào)：V214.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）05-0045-02

Abstract： In this paper， the compression tests of composite stiffened plates with embedded bar bonding defects are carried out， and the effects of different lengths of bonding defects on the failure form and strength of reinforced composite structures are studied. The nonlinear finite element analysis model of reinforced composite plate with reinforced strip and adhesive defect is established， and the post-buckling behavior， details of debonding propagation and failure mechanism of the structure are studied. The results of finite element analysis are in good agreement with the experimental results， which proves the validity of the model and the analytical method.

Keywords： composite material； stiffened panel； compression test； simulation

引言

碳纖維復(fù)合材料加筋壁板因具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)效率高等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天飛行器結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用。實(shí)際應(yīng)用中，缺陷容易發(fā)生在筋條底緣和蒙皮的膠接界面，因此對(duì)受損傷的復(fù)合材料加筋板開(kāi)展試驗(yàn)研究和仿真，分析損傷擴(kuò)展模式對(duì)復(fù)合材料加筋板結(jié)構(gòu)的損傷評(píng)估具有重要的指導(dǎo)作用。本文針對(duì)包含I字型筋條的復(fù)合材料加筋板開(kāi)展了壓縮破壞試驗(yàn)和仿真分析，研究分析結(jié)構(gòu)在壓縮載荷下的后屈曲行為、裂紋擴(kuò)展模式和破壞機(jī)理。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)采用包含三條工字型筋條的復(fù)合材料加筋板作為試驗(yàn)件。制備試件時(shí)，在長(zhǎng)桁底緣和C型筋條之間預(yù)埋一片矩形聚四氟乙烯薄膜，用來(lái)模擬長(zhǎng)桁膠接缺陷。試驗(yàn)件幾何參數(shù)見(jiàn)圖1，試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖2。實(shí)驗(yàn)過(guò)程為沿筋條方向施加位移載荷直至結(jié)構(gòu)破壞。

1.2 仿真方法

在ABAQUS有限元分析軟件基礎(chǔ)上，建立含膠接缺陷的復(fù)合材料加筋板非線性有限元模型。采用虛擬裂紋閉合技術(shù)（VCCT）模擬含缺陷筋條膠接界面，采用膠層單元模擬其它無(wú)缺陷筋條膠接界面，并采用Hashin準(zhǔn)則作為強(qiáng)度準(zhǔn)則，以及B-K準(zhǔn)則[1]作為損傷演化法則。虛擬裂紋閉合技術(shù)是在線彈性斷裂力學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的[2]，適用于沿預(yù)定表面擴(kuò)展的復(fù)合材料脆性斷裂問(wèn)題[3]。其他不含膠接缺陷的界面也需要考慮脫粘損傷，因?yàn)槭欠窨紤]脫粘對(duì)有限元模擬結(jié)構(gòu)破壞過(guò)程和極限承載能力有較大影響。有限元模型如圖3所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果對(duì)比

2.1 破壞強(qiáng)度對(duì)比

壓縮破壞試驗(yàn)結(jié)果及仿真結(jié)果對(duì)比分析見(jiàn)表1，隨著膠接缺陷尺寸增加，試件剩余強(qiáng)度顯著降低，證明膠接缺陷對(duì)復(fù)合材料加筋結(jié)構(gòu)的承載能力有顯著影響。有限元模擬計(jì)算的破壞強(qiáng)度與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，誤差在2%以內(nèi)，證明該模型及分析方法合理有效。圖4為根據(jù)仿真分析得到數(shù)據(jù)繪制的載荷位移曲線，A點(diǎn)為屈曲臨界點(diǎn)，B點(diǎn)為裂紋擴(kuò)展起始點(diǎn)，C點(diǎn)為結(jié)構(gòu)失效點(diǎn)。

2.2 破壞模式對(duì)比

試驗(yàn)件的破壞形為中央筋條的脆性斷裂和膠接界面的大面積脫粘，三種試驗(yàn)件的破壞照片如圖5所示。

破壞機(jī)理分析：筋條膠接缺陷部位發(fā)生明顯的局部子層屈曲，引起底緣的纖維壓縮破壞和基體壓縮破壞，接著由于腹板屈曲變形的增大，腹板與底緣的連接處發(fā)生纖維拉伸破壞和基體拉伸破壞，同時(shí)底緣的壓縮破壞將迅速擴(kuò)展至腹板和頂緣，導(dǎo)致筋條最終完全壓縮破壞。有限元模擬的中央筋條破壞形式和筋條膠接界面脫粘情況如圖6所示，與試驗(yàn)結(jié)果吻合。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)含不同尺寸膠接缺陷的復(fù)合材料加筋板進(jìn)行了壓縮破壞試驗(yàn)，證明加筋板破壞載荷隨筋條膠接缺陷尺寸的增大而減??；并基于斷裂力學(xué)理論建立了合理有效的有限元分析模型，研究結(jié)構(gòu)在壓縮載荷下的后屈曲行為、脫粘擴(kuò)展細(xì)節(jié)和復(fù)合材料的破壞機(jī)理。有限元分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，證明本文提出的分析方法合理有效。

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