缝合复合材料泡沫夹芯结构剪切刚度预报

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1、第26卷第3期应用力学学报、blI26NO．32009年9月CHINESEJOURNALOFAPPLIEDMECHANICSSep．2009文章编号：1000．4939(2009)03-0600．04缝合复合材料泡沫夹芯结构剪切刚度预报杨慧张晓晶汪海。(上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院200240上海)(上海交通大学航空航天学院2000240上海)。摘要：针对复合材料泡沫夹芯结构的缝合工艺采用代表体元法，通过建立有限元模型，对这种新型复合材料结构的剪切刚度性能进行了预测。考察了缝合对材料弹性常数的影响，给出了弹性常数的计算方法，并着重探讨了纤维弯曲

2、、富树脂区以及缝线刚度、缝线等效直径对结构剪切刚度的影响。对比发现：结构的面内剪切刚度与缝线直径成反比，与缝线的剪切刚度成f-~；面外剪切刚度与缝线直径成正比，与缝线的剪切刚度成正比数值分析结果与试验结果比较吻合关键词：缝合；泡沫夹芯；复合材料；代表体元法中图分类号：V214；TB332文献标识码：A行研究：引入了恰当的边界条件，对结构的剪切刚度进行预报；分析纤维弯曲、富树脂区、缝线材料l引言参数对结构剪切刚度的影响。复合材料泡沫夹芯结构可以提高结构抗弯刚度和结构效率，降低制造成本Ll】，在航空领域应用日益广泛。夹芯结构中面板与芯材一般采用胶结连接，

3、面板与芯子之间的界面连接强度较低，最典型的失效形式就是因面板与芯材粘接处失效导致分层，并产生局部强度破坏，进而影响泡沫夹芯结构图1改进的锁式缝合结构的整体强度，从而限制了该结构在飞机结构上的广泛应用。缝合可以加强面板与芯材问的连接，并抑制分层，从而在不需大量增加重量的前提下，提高结构的面外性能。目前此类结构的研究主要集中在制造工艺和性能测试的试验方面J，力学模型建立和数值分析等方面的研究工作开展较少【6】。为了扩大缝合复合材料泡沫夹芯结构在飞机结构上的应用，首先需要解决的问题就是刚度和强度预报。基于以上考虑，本文建立从缝合复合材料泡沫图2垂直缝合45

4、。复合材料层压板夹芯结构的力学模型入手，对缝合复合材料泡沫夹芯结构在剪切载荷作用下的力学性能分析和试验进基金项目：国家自然科学基金(10602035)来搞日期：2008．1012修回日期：2009．Ol—l9第一作者简介：杨慧，女，1983年生，上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，硕士生：研究方向——复合材料的力学性能。Emaihhuiyang．1983@163．tom第3期杨慧，等：缝合复合材料泡沫夹芯结构剪切刚度预报601D=~／2d2有限元模型(1)假设：纤维弯曲角度为15。；纤维弯曲影响宽度为0．2mm，富树脂区的长度为缝针直径的4倍。2．1

5、工艺描述根据以上假设，缝合泡沫夹芯结构简化模型如模型采用文献[4】中所用的材料体系和缝合参数。面板为T300／BA9911；芯材为ROHACELL7IIG图3和图4所示。．闭孔泡沫；缝线为Kevlar29(1500旦)；上下面板均采用[+45／0／90／0／-T-45]铺层；芯材厚度为7mm。缝合采用改进的锁式缝合方式沿，0。纤维方向进行90。缝合，如图1所示。缝合行距6．5mm，缝合针距为6．5mm；缝针直径为I．5mm。将干态的单层和泡沫缝合后，采用真空辅助树脂注射(VARI)I艺处理。结构的缝线经树脂浸润后形成柱体承力。由于图3不同铺层中的纤维

6、弯曲区和富树脂区缝线受到周围材料的挤压及本身的张紧力影响，其横截面近似于圆形，如图2所示。缝合之前面板中的纤维均匀分布，都与x轴平行。缝合后结构的几何形态将发生变化。由于缝线的插入会使缝线周围的纤维被挤开，从而发生弯曲，使得各单层在缝线周围出现棱形空白区，当浸润树脂后就会形成富树脂区，从而对结构的力学性能产生一定影响，如图2所示：每一个缝合行距内，只有一定范围内的纤维受到缝线影响而弯曲，而且其张开角度有限。一般认为缝合引起的纤维弯曲角为8．5。～20。[7-8]。图4缝合泡沫夹芯结构单胞模型2．2模型假设2．3弹性常数计算方法采用代表体元法分析缝合泡

7、沫夹芯结构的等为确定等效剪切模量Gl2、G23、G31，分别引入效弹性模量。假定单胞的尺寸为2a×2a2X2a3，三个工况进行计算，工况具体情况见表1。坐标系的原点为单胞的中心。轴平行于O。纤维方表1不同工况时的边界条件向；Y轴在面板平面内且与O。纤维方向垂直：z轴垂直于面板平面。富树脂区形状与纤维铺层方向有关。根据层板处于结构中的不同位置，富树脂区的形状和大小有所不9-10]。从文献【9】统计的数据来看，树脂区的形状和大小与其在结构中的位置有关。总的来说是其中z，、v、W分别是、z方向上位移。外侧单层的树脂区面积大于内侧的树脂区面积，所有树脂区的面

8、积均在某一区间波动。将每个工况边界上的约束反力Q分别相加，可本文假设所有单层中的树脂区域都形状一致，算出各自