含胶层复合材料梁构件性能分析

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaSep．252012V01．33No．91655-1663ISSN1000—6893ON11-1929／Vhttp：Hhkxbbuaaedu．Cnhkxb@buaaeduC11文章编号：i000—6893(2012)09—1655—09含胶层复合材料梁构件性能分析王东方，杨嘉陵*北京航空航天大学航空科学与工程学院，100191北京摘要：复合材料剪切模量通常比弹性模量低1个数量级，这就导致复合材料梁结构剪切效应比普通梁结构显著得多，尤其是梁截面高度较大

2、的情况。作为夹胶玻璃等结构的复合材料支撑框架，复合材料方管梁翼缘通常存在较弱的胶层，此时复合材料梁横截面包含不同剪切模量的材料层，这就导致梁横截面在剪切作用下发生复杂的翘曲。剪切翘曲效应对梁结构的性能有着极大的影响，本文在分段线性位移场假设基础上，推导了对称面内变形的方管梁结构静力以及自振周期计算模型，并同经典梁理论计算结果进行对比，分析了梁几何参数、胶层力学参数等因素对两个模型计算误差的影响。计算结果表明，当胶层较弱时，弱层带来的层间剪切效应对梁的性能有着决定性的影响，此时经典梁理论不再适用。关键词：方管梁；复合材料；横截面

3、翘曲；胶层；分段线性中图分类号：V414．8文献标识码：A近年来，在航空工程中，复合材料层合板得到了广泛的应用，许多飞机内部都有相当一部分的复合材料承载框架。当前针对复合材料层合板的研究大多集中在复合材料板壳[1’71上，而针对复合材料梁构件的研究数量[8‘1列相对较少，已有的研究基本上集中在薄壁梁构件以及含分层复合材料梁构件[16-i8]上，其理论一般都建立在一阶剪切基础上。关于厚壁梁的研究目前还很少见，Kim和White[1”2胡采用Reddy建立的整体三次位移场理论∞1建立了闭合厚壁复合材料梁的计算模型。复合材料框架构件

4、多为方管式梁，为提高梁构件的承载力，通常在梁的上、下表面附加几片成型复合材料板，此时方管梁翼缘厚度增加，方管梁可能成为厚壁梁。另外在某些型号飞机座舱复合材料结构中，采用复合材料制作的夹胶玻璃边框架，翼缘存在多层胶层、多层玻璃以及复合材料板。通常来说，复合材料的剪切模量远低于面内弹性模量，因此同普通梁构件相比，复合材料梁构件的剪切效应对其性能有着更加显著的影响。而且对于含胶层复合材料层合梁来说，一般情况下胶层的力学性能远弱于复合材料。在这种情况下，梁构件横截面将很难满足平截面假设，此时采用经典梁理论进行求解将不可避免地带来一定的

5、误差。当前复合材料梁的研究基本上是基于整体位移场进行计算的，然而当梁横断面上各部分剪切模量相差较大且翼缘承担剪力不可忽略时，复合材料梁横断面在剪力作用下的翘曲很难用简单的整体位移场进行描述，此时将不得不采用分层位移场[2加进行计算。目前关于有弱层的复合材料梁的研究还很少见，为分析胶层收稿日期：2012—03一t4；退修日期：2012-04-10；录用日期：2012-04—24；网络出版时闯：2012—07—1117：04网络出版地址：WWW．cnki．13et／kcms／detaJl／11，1929V，2D1207111704

6、003．html基金项目：国家自然科学基金(11032001)*通讯作者．Tel．：010-82317528．Email：JLYang@buaa．educn韵甬格武tWangDF·YangJL?Analysisoftheperformanceofabeammadeofcompositematerialswithagluelayer?ActaAeronauticaetAslronauticaSinica，2012．33(9)：t655-1663I东方．杨嘉凌舍皎县复合耪释梁构件性能分斩．航空学报，2012，33(9)；1655-

7、1663．航空学报以及剪切效应对复合材料梁构件性能带来的影响，本文假定沿着梁截面高度位移场为分段线性，推导了含胶层复合材料方管梁构件的静力计算模型与自振频率计算模型，并同经典梁理论计算结果相对比，分析了两个模型之间计算误差的影响因素。1复合材料层合梁静力计算模型图1所示复合材料梁为典型的含弱层层合梁构件，假定图1所示复合材料层合梁在对称面内弯曲，通常每一片复合材料层合板由几十层复合材料铺成(如图2所示)，如果计算时细化到每一层都假定为位移分段线性，计算量将很庞大，而且也不太必要。由于单片层合板各层剪切模量相差不大且厚度较薄，因

8、此在计算时位移场可假定如下：1)上翼缘附加单片层合板沿着厚度方向位移线性分布。2)上翼缘胶层沿着厚度方向位移线性分布。3)复合材料方管上翼缘位移沿着厚度方向线性分布。4)复合材料腹板因截面高度大，剪应力相对较高，为减小误差，沿着截面高度分为4段，每一段位移沿着截面高度方向线性