縫合復(fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)剪切剛度預(yù)報(bào)

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1、第26卷第3期應(yīng)用力學(xué)學(xué)報(bào)、blI26NO．32009年9月CHINESEJOURNALOFAPPLIEDMECHANICSSep．2009文章編號：1000．4939(2009)03-0600．04縫合復(fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)剪切剛度預(yù)報(bào)楊慧張曉晶汪海。(上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院200240上海)(上海交通大學(xué)航空航天學(xué)院2000240上海)。摘要：針對復(fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)的縫合工藝采用代表體元法，通過建立有限元模型，對這種新型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的剪切剛度性能進(jìn)行了預(yù)測?？疾炝丝p合對材料彈性常數(shù)的影響，給出了彈性常數(shù)的計(jì)算方法，并著重探討了纖維彎曲

2、、富樹脂區(qū)以及縫線剛度、縫線等效直徑對結(jié)構(gòu)剪切剛度的影響。對比發(fā)現(xiàn)：結(jié)構(gòu)的面內(nèi)剪切剛度與縫線直徑成反比，與縫線的剪切剛度成f-~；面外剪切剛度與縫線直徑成正比，與縫線的剪切剛度成正比數(shù)值分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較吻合關(guān)鍵詞：縫合；泡沫夾芯；復(fù)合材料；代表體元法中圖分類號：V214；TB332文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A行研究：引入了恰當(dāng)?shù)倪吔鐥l件，對結(jié)構(gòu)的剪切剛度進(jìn)行預(yù)報(bào)；分析纖維彎曲、富樹脂區(qū)、縫線材料l引言參數(shù)對結(jié)構(gòu)剪切剛度的影響。復(fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)可以提高結(jié)構(gòu)抗彎剛度和結(jié)構(gòu)效率，降低制造成本Ll】，在航空領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛。夾芯結(jié)構(gòu)中面板與芯材一般采用膠結(jié)連接，

3、面板與芯子之間的界面連接強(qiáng)度較低，最典型的失效形式就是因面板與芯材粘接處失效導(dǎo)致分層，并產(chǎn)生局部強(qiáng)度破壞，進(jìn)而影響泡沫夾芯結(jié)構(gòu)圖1改進(jìn)的鎖式縫合結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度，從而限制了該結(jié)構(gòu)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的廣泛應(yīng)用?？p合可以加強(qiáng)面板與芯材問的連接，并抑制分層，從而在不需大量增加重量的前提下，提高結(jié)構(gòu)的面外性能。目前此類結(jié)構(gòu)的研究主要集中在制造工藝和性能測試的試驗(yàn)方面J，力學(xué)模型建立和數(shù)值分析等方面的研究工作開展較少【6】。為了擴(kuò)大縫合復(fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用，首先需要解決的問題就是剛度和強(qiáng)度預(yù)報(bào)。基于以上考慮，本文建立從縫合復(fù)合材料泡沫圖2垂直縫合45

4、。復(fù)合材料層壓板夾芯結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型入手，對縫合復(fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)在剪切載荷作用下的力學(xué)性能分析和試驗(yàn)進(jìn)基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(10602035)來搞日期：2008．1012修回日期：2009．Ol—l9第一作者簡介：楊慧，女，1983年生，上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，碩士生：研究方向——復(fù)合材料的力學(xué)性能。Emaihhuiyang．1983@163．tom第3期楊慧，等：縫合復(fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)剪切剛度預(yù)報(bào)601D=~／2d2有限元模型(1)假設(shè)：纖維彎曲角度為15。；纖維彎曲影響寬度為0．2mm，富樹脂區(qū)的長度為縫針直徑的4倍。2．1

5、工藝描述根據(jù)以上假設(shè)，縫合泡沫夾芯結(jié)構(gòu)簡化模型如模型采用文獻(xiàn)[4】中所用的材料體系和縫合參數(shù)。面板為T300／BA9911；芯材為ROHACELL7IIG圖3和圖4所示。．閉孔泡沫；縫線為Kevlar29(1500旦)；上下面板均采用[+45／0／90／0／-T-45]鋪層；芯材厚度為7mm。縫合采用改進(jìn)的鎖式縫合方式沿，0。纖維方向進(jìn)行90。縫合，如圖1所示?？p合行距6．5mm，縫合針距為6．5mm；縫針直徑為I．5mm。將干態(tài)的單層和泡沫縫合后，采用真空輔助樹脂注射(VARI)I藝處理。結(jié)構(gòu)的縫線經(jīng)樹脂浸潤后形成柱體承力。由于圖3不同鋪層中的纖維

6、彎曲區(qū)和富樹脂區(qū)縫線受到周圍材料的擠壓及本身的張緊力影響，其橫截面近似于圓形，如圖2所示。縫合之前面板中的纖維均勻分布，都與x軸平行?？p合后結(jié)構(gòu)的幾何形態(tài)將發(fā)生變化。由于縫線的插入會使縫線周圍的纖維被擠開，從而發(fā)生彎曲，使得各單層在縫線周圍出現(xiàn)棱形空白區(qū)，當(dāng)浸潤樹脂后就會形成富樹脂區(qū)，從而對結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能產(chǎn)生一定影響，如圖2所示：每一個縫合行距內(nèi)，只有一定范圍內(nèi)的纖維受到縫線影響而彎曲，而且其張開角度有限。一般認(rèn)為縫合引起的纖維彎曲角為8．5?！?0。[7-8]。圖4縫合泡沫夾芯結(jié)構(gòu)單胞模型2．2模型假設(shè)2．3彈性常數(shù)計(jì)算方法采用代表體元法分析縫合泡

7、沫夾芯結(jié)構(gòu)的等為確定等效剪切模量Gl2、G23、G31，分別引入效彈性模量。假定單胞的尺寸為2a×2a2X2a3，三個工況進(jìn)行計(jì)算，工況具體情況見表1。坐標(biāo)系的原點(diǎn)為單胞的中心。軸平行于O。纖維方表1不同工況時的邊界條件向；Y軸在面板平面內(nèi)且與O。纖維方向垂直：z軸垂直于面板平面。富樹脂區(qū)形狀與纖維鋪層方向有關(guān)。根據(jù)層板處于結(jié)構(gòu)中的不同位置，富樹脂區(qū)的形狀和大小有所不9-10]。從文獻(xiàn)【9】統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)來看，樹脂區(qū)的形狀和大小與其在結(jié)構(gòu)中的位置有關(guān)。總的來說是其中z，、v、W分別是、z方向上位移。外側(cè)單層的樹脂區(qū)面積大于內(nèi)側(cè)的樹脂區(qū)面積，所有樹脂區(qū)的面

8、積均在某一區(qū)間波動。將每個工況邊界上的約束反力Q分別相加，可本文假設(shè)所有單層中的樹脂區(qū)域都形狀一致，算出各自