带圆孔复合材料层合板应力集中系数的研究

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1、维普资讯http://www.cqvip.com2003年l2月韶关学院学报(自然科学版)Dec．2clD3第24卷第12期JournalofShao~amnUniversity(NaturalScienceVo1．24No．12带圆孑L复合材料层合板应力集中系数的研究姚学诗(韶关学院机电系，广东韶关512005)摘要：利用实验和有限元方法研究了带圆孔复合材料层合板的应力集中，分析了铺层方式对孔边应力集中的影响，对实验和有限元方法得出的结果作了比较．关键词：应力集中；层合板；复合材料中图分类号：TB121文献标识码：A文章编号：1007—5348(2003)12—45一o3纤维增强复合材料层合

2、板以其高于钢铁材料的比强度、比刚度、良好的抗疲劳、抗腐蚀性能和可设计性的优势，在航空航天、交通、化工等工程领域得到日益广泛的应用．带孔复合材料层合板由于在小孔处几何外形的急剧变化引起应力的局部增大，形成应力集中．由于复合材料具有各向异性的特点，故孔边的应力集中必随铺层纤维方向而变化．文中采用电测法、光弹贴片法及有限元方法分别研究了[0／90]、[±4534,、[0／90／45,"一45／一45／45／90／0]三种铺层带圆孔复合材料层合板的应力集中，利用有限元法较为系统地研究了铺层方式对应力集中的影响．从而为构造最大强度的带圆孔复合材料层合板提供依据．在进行光弹贴片实验过程中，成功地配制了具有

3、反射性能的银粉粘胶，获得了清晰的图像，提高了实验精度，也拓广了光弹贴片实验的应用范围．1带圆孑L复合材料层合板应力集中系数的计算方法为了与实验结果相比较，导出正交各向异性板孔边应力集中系数的解析解，在此基础上，作出进一步分析．设，Y轴为材料的弹性主轴，与主轴有关的弹性常数为、E、G和，在平面应力状态且应力平行于材料主轴的情况下，其弹性本构方程为：[每㈩ExEy·对于带孑L正交各向异性的无限大板，当承受方向的单向拉伸载荷时，按弹性理论计算的应力集中系数为[j：厂————————————————=======K=1+√Ex／G一2+2~／Ex／．(2)从(2)式可见，利用正交各向异性板孔边应力集中

4、系数的解析法计算带圆孑L复合材料层合板的应力集中系数，忽略了三维铺层方向弹性常数的影响，故有待进一步改进．收稿日期：2003—09—02作者简介：姚学诗(1956一)，男，安徽无为人，韶关学院机电系副教授，博士，主要从事复合材料力学、转子动力学研究维普资讯http://www.cqvip.com·46·韶关学院学报(自然科学版)2003年利用有限元法进行计算可避免以上不足．在Ansys5．4平台上，建立了带圆孔复合材料层合板的三维模型，并考虑了不同铺层方向及三维弹性常数的影响，计算了层合板在拉伸状态下孔边的应力集中(见图1)．利用三维有限元方法，求得带圆孔复合材料(玻璃纤维环氧)[9(1。]8

5、层合板孔边的应力集中状态结果如图1所示．图1带圆孔复合材料(玻璃纤维环氧)单向【90~]层合板的应力集中计算表明，利用正交各向异性板孔边应力集中系数的解析法求解带圆孔复合材料层合板的应力集中系数，与以下实验方法求得的结果相比，数值偏小．利用三维有限元方法求孔边的应力集中系数，从建模和求解过程来看，较为可信，求得的结果与实验得到的结果相比，较为接近．以下仅用有限元法计算应力集中系数，并和实验结果作进一步比较．2用实验方法测定集中系数实验用的试样材料为玻璃纤维环氧复合材料层合板，光弹性贴片材料选用聚碳酸脂片，自行配制具有反射性能的银粉粘胶．电阻应变片采用2×1mill的应变片，对称地贴于圆孔的内壁

6、．对带圆孔玻璃纤维环氧复合材料层合板[0／90]和[±45]4铺层，在拉伸状态下，分别由光弹性贴片和电阻应变片实验测得在不同载荷下孔边的最高条纹级数Ⅳ和最大应变值e，如表l所示．由实验结果及有限元法求得的应力集中系数如表2、表3所示．表1带圆孔复合材料层合板孔边最高条纹级数和最大应变分析方法贴片法应变片法有限元法应力集中系数3．984．01维普资讯http://www.cqvip.com第12期姚学诗：带圆孔复合材料层合板应力集中系数的研究·47·对于带圆孔玻璃纤维环氧复合材料层合板[0／90／45／一45／45／90／0]4试样，在拉伸状态下，利用光弹贴片、电阻应变片实验及有限元法计算的应力

7、集中系数如表4所示．表4带圆孔[0／90／45／一45／45／90／0]4层合板的应力集中系数对于5种斜交铺设的复合材料层板[±15]4s、[±30]4、[±45]4、[±60]4[±75]4，利用Armys5．4软件计算了孔边的应力集中系数，以研究其铺层方式对应力集中系数的影响，计算结果如表5所示．表5不同斜交铺层板孔边的应力集中系数3结果分析(a)采用光弹性贴片和电阻应变片两种实验方法测定带孔