復合材料結構層間應力探究范文

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《河北工業科技雜志》2015年第二期

1層合結構層間應力理論分析

根據復合材料力學［14］，正交各向異性材料主方向應力－應變關系為。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，假設某頂點0上的電位是U0，周圍4個頂點的電位分別為u1，u2，u3和u4。將這幾個點的電位用泰勒級數展開，當h很小時，忽略四階以上的高次項，并考慮協調方程聯立求解。

2復合材料層合結構數值模擬

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

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

3結論

1）利用ANSYS軟件，建立了復合材料層合板有限元模型，從數值解與理論解比較可以看出：2種方法數據吻合很好，這表明所建數值模型的正確性。2）分析了不同纖維鋪設角下對稱層合板層間應力變化規律，分析結果表明：層合板正交鋪設時τxz和τyz層間應力數值接近，層間應力相對較小。因此，對稱鋪設層合結構設計相鄰層板采用正交鋪設，可有效避免脫層。3）研究了層合板對角線上各點層間應力隨距離變化關系，分析結果表明：層合板內部層間應力數值較小，邊緣層間應力數值較大，易于發生脫層效應，因此，結構設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：東北石油大學機械科學與工程學院大慶油田有限責任公司鉆探工程公司