復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層間應(yīng)力探究范文

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《河北工業(yè)科技雜志》2015年第二期

1層合結(jié)構(gòu)層間應(yīng)力理論分析

根據(jù)復(fù)合材料力學(xué)［14］，正交各向異性材料主方向應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系為。式（5）、式（6）和式（7）沒有封閉解，利用力和位移邊界條件通過有限差分法求解。即在xoy平面把所求區(qū)域劃分為若干相同的小正方形格子，每個格子的邊長都為h，假設(shè)某頂點(diǎn)0上的電位是U0，周圍4個頂點(diǎn)的電位分別為u1，u2，u3和u4。將這幾個點(diǎn)的電位用泰勒級數(shù)展開，當(dāng)h很小時，忽略四階以上的高次項，并考慮協(xié)調(diào)方程聯(lián)立求解。

2復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬

設(shè)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)由4層厚度為t＝0．025m、長為2m的正方形單層板復(fù)合而成，各層鋪設(shè)角分別為0°，45°，45°，0°，其幾何模型如圖1所示，單層板材料性能參數(shù)見表1［15］，層合結(jié)構(gòu)上表面受均布載荷P0＝6kPa，分析其層間應(yīng)力分布規(guī)律。利用ANSYS軟件，采用SolidLayered46層單元，根據(jù)對稱性，取其建立層合板有限元模型。表2為正交鋪設(shè)層合板層間極值應(yīng)力理論解與數(shù)值解對比結(jié)果，從表2中可以看出理論解與數(shù)值解吻合較好，最大相對誤差不超過8．64％，這說明本文建立數(shù)值模型的正確性。

圖2、圖3分別為0°纖維鋪設(shè)角復(fù)合材料層合板層間x－z方向和y－z方向的應(yīng)力云圖，從圖中可以看出層間應(yīng)力分布情況，其中固定端處層間應(yīng)力數(shù)值最大，x－z方向和y－z方向?qū)娱g極值應(yīng)力分別為2．37MPa和1．82MPa。表3列舉了不同鋪設(shè)角下層間極值應(yīng)力，從表中可以看出對稱鋪設(shè)層合板x－z方向?qū)娱g應(yīng)力隨著中間層纖維鋪設(shè)角的增大而減小，y－z方向?qū)娱g應(yīng)力隨著纖維鋪設(shè)角的增大而增大，纖維鋪設(shè)角為（0°／0°／0°／0°）時層間剪應(yīng)力τxz最大，數(shù)值為2．37×106Pa，纖維鋪設(shè)角為（0°／90°／90°／0°）時層間剪應(yīng)力τyz最大，數(shù)值為2．01×106Pa。圖4、圖5分別為x－z方向和y－z方向，纖維鋪設(shè)角為0°／90°／90°／0°時，層合板對角線上各點(diǎn)層間應(yīng)力隨距離變化關(guān)系，從圖中可以看出：在距o點(diǎn)距離為0～1．348m，層間應(yīng)力隨距離增大變化不大，在距離為1．348～1．418m，層間應(yīng)力急劇增大，這表明復(fù)合材料層合板邊緣為層間應(yīng)力極值點(diǎn)，易于發(fā)生脫層效應(yīng)。

3結(jié)論

1）利用ANSYS軟件，建立了復(fù)合材料層合板有限元模型，從數(shù)值解與理論解比較可以看出：2種方法數(shù)據(jù)吻合很好，這表明所建數(shù)值模型的正確性。2）分析了不同纖維鋪設(shè)角下對稱層合板層間應(yīng)力變化規(guī)律，分析結(jié)果表明：層合板正交鋪設(shè)時τxz和τyz層間應(yīng)力數(shù)值接近，層間應(yīng)力相對較小。因此，對稱鋪設(shè)層合結(jié)構(gòu)設(shè)計相鄰層板采用正交鋪設(shè)，可有效避免脫層。3）研究了層合板對角線上各點(diǎn)層間應(yīng)力隨距離變化關(guān)系，分析結(jié)果表明：層合板內(nèi)部層間應(yīng)力數(shù)值較小，邊緣層間應(yīng)力數(shù)值較大，易于發(fā)生脫層效應(yīng)，因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計時可在層合板邊緣采用加厚黏膠層或邊緣帶帽等方法抑制脫層。

作者：彭惠芬夏曄王鵬王程單位：東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院大慶油田有限責(zé)任公司鉆探工程公司