复合材料挤压强度的有限元分析方法

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1、总第163期2010年第2期直升机技术HELICOf，rERTECHNIQUETotalNo．163No．22010文章编号：1673·1220(2010)02-033424复合材料挤压强度的有限元分析方法王娟，曾本银(中国直升机设计研究所，江西景德镇333001)摘要本文将Hashin失效准则和Camanho、Matthews的材料性能退化准则应用于复合材料的挤压强度计算过程中，将基于单向布研究产生的两个准则灵活地扩展应用到双向布的分析中，起到了很好的效果。整个计算过程由程序自主完成，计算方便且较真实的模拟了试验过程，计算结果与试验结果吻合较好。关键词复合材料；挤压强度；有

2、限元法中图分类号：TB330．1；0241．82文献标识码：AAFEMAnalysisforCompressCapacityofCompositeStructureWANGJuan，ZENGBenyin(ChinaHelicopterResearchandDevelopmentInstitute，Jingdezhen333001，China)AbstractInthispaper，wetakeHashin§failuretheoryandCamanho—Matthews7materialdecliningtheoryintoFEManalysisofcompositelami

3、nateswithasinglebolt．Expandtheusagefromone—wayfabrictotwo—wayfabricandgetgoodeffect．Thewholeprocessisrunningbyaprocedure．Itiscon—venienttosimulateaexperimentationbythisprocedure，andtheresultisquitecorrespond．Keywordscompositestructure；compresscapacity；FEM1引言由于复合材料有着各向异性和脆性的特点，使得复合材料连接部位的应力集

4、中现象比金属的要严重得多。复合材料的连接强度计算一直都是设计中的难点，目前，仍然完全依靠大量的试验数据作参考，这对我们的型号设计，尤其在复合材料国产化的的设计应用中是很大的牵绊和负担。为了解决复合材料连接设计的难题，本论文拟采用有限元分析的方法来计算复合材料的连接强度。2计算理论依据由于复合材料的应力集中现象很显著，即使在很小的载荷作用下，孔的周围也极易出现高应力而促使挤压区出现损伤裂纹，但是局部挤压区域的小裂纹并不严重影响结构的承载能力(图1)，只有当连接区出现较大面积的裂纹时才真正丧失承载能力(图2)。在复合材料连接区损伤逐渐扩展的过程中，损伤区域的结构刚度逐渐发生衰减，

5、应力随着裂纹的扩展而不断重新分布，直至结构最终因大面积损伤而破坏。传统的有限元分析方法不能模拟损伤的产生和扩展过程，在钉孔的局部区域往往呈现出高梯度的应力集中，当局部应力值已经超过材料的许用强度时，结构的弹性刚度却不更改，因此这部分的分析结果并不真实。收稿日期,'2009-12"01作者简介：壬娟(1978一)，女，湖北鄂州人，工程师，主要研究方向：直升机动力学。·34·直升机技术总第163期为了有效地模拟连接区的损伤扩展过程，需要在计算过程中补充材料的失效和退化过程。目前，在国内外众多研究人员的发展和应用中，Hashin的二维、三维失效准则¨o以及Camanho和Matth

6、ews的材料性能退化准则呤。响应最高，而且得到了较好地应证。遗憾的是，这些失效准则都是特别针对单向布的，在双向布的研究和应用中尚未见任何体现。本论文根据Hashin失效准则的基本原理，结合工程需要，灵活地将单向布的失效准则扩展到双向布的失效应用上，起到了很好的计算效果。由于在实际工程数据中，很难得到复合材料在垂直于织物面上的性能数据，而且在大多实际结构中，该方向上的应力很小，对结构的影响不大，因此，在本论文中采用二维的计算模型和失效准则来分析连接区的承载能力。图1初始破坏时局部区域损伤图2最终破坏时大面积损伤2．1材料失效准则2．I．1当材料为单向布时，Hashin二维失效准

7、则1)基体拉伸破坏(代号：F1)，0"2>0(毒)2+(鼍)‘≥·2)基体压缩破坏(代号：F：)，盯：<0(薏)。+(鼍)‘≥-3)纤维拉伸失效(代号：F，)，矿。>0(薏)‘+(鼍)‘≥-4)纤维压缩失效(代号：F4)．盯，<0f—o"11≥1、Xc，(2)(3)(4)5)纤维一基体剪切失效(代号：F，)，矿。