含缺陷复合材料T型接头失效数值分析

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstrOnauticaSinicaFeb．252012V01．33No．2287．296ISSN1000．6893ON11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cahkxb@buaa．edu．CR文章编号：1000—6893(2012)02—0287—10含缺陷复合材料T型接头失效数值分析朱亮1，崔浩1，李玉龙1’*，孙薇薇21．西北工业大学航空学院，陕西西安7100722．中国商用飞机有限责任公司上海飞机设计研究院，上海200232摘要：针对复合材料T型接头优化设计问题，利用粘聚区模型(CZM)建立

2、了可预测复合材料接头拉伸破坏过程的分析方法。将填充物缺陷加入该模型，填充区裂纹的起始是随机的，重点分析填充物缺陷的位置、尺寸大小以及填充物刚度对接头承载能力的影响。计算结果表明：模拟结果与实验结果吻合较好；无论缺陷位置如何，缺陷尺寸越大，结构承载能力越弱；结构承载能力对上角缺陷最为敏感；填充物刚度在3～50MPa时，填充物刚度较大的接头损伤容限特性更好；不同的缺陷位置，破坏模式差异较大，但起裂点或最终失效处都在缺陷附近的基体中。关键词：粘聚区模型；随机裂纹；复合材料；T型接头；缺陷中图分类号：V258+．3；TB330．1文献标识码：A碳纤维复合材料具有比强度和

3、比模量高等优点，在现代航空航天结构上得到广泛应用。复合材料T型接头是一种典型的结构单元，它是由3块层合板和填充物胶接在一起，在拉伸载荷下，层合板内部可能分层，层合板与填充物界面间可能脱胶，填充物内部也可能有裂纹产生。由于成型工艺的局限以及树脂的流动性不足等因素，该类结构在成型过程中通常都会产生孔洞、贫脂等缺陷，而填充区的缺陷尤为严重，可能成为裂纹最早出现的危险部位。研究填充物缺陷对接头的承载能力和失效模式的影响、评价填充物刚度对接头性能的影响，对于改进接头设计和提高结构性能具有重要的意义【1j。粘聚区模型(CZM)是通过在有限元结构中嵌入含损伤起始于演化特性的单

4、元来模拟结构的起裂与扩展。自20世纪60年代D-B模型[23被提出以来，Needleman[3’41对其进一步发展，逐步形成了现今的CZM。复合材料的层间失效裂纹路径简单，便于通过粘聚单元的布设来预测其分层损伤，因此CZM在模拟复合材料层问失效方面的应用日益广泛。Borg等[53模拟了复合材料在I、II以及复合型静态分层下的响应；May等[61利用CZM成功地预测了复合材料疲劳损伤的起始与扩展；一些研究者尝试用CZM来模拟冲击引起的层间分层，同样取得了较好的效果[7。8]。基于CZM，Cartie等[91预测了复合材料T型接头在拉伸载荷下的失效，Chen等[1叼

5、分析了编织复合材料T型结构的失效行为。Zhou等[11]应用CZM研究了含缺陷(将粘聚胶体的性能变低)的T型结构的力学性能，结果表明缺陷的存在极大地降低了结构的承载能力。崔浩等口幻利用CZM模拟T型结构根部填充区的随机裂纹扩展，所建立的数值模型可以更准确地描述T型结构的拉伸失效行为。研究填充物缺陷对接头的承载能力和失效模收稿日期：2011-05-23；退修日期：2011-07-01；录用日期：2011—09—06；网络出版时间：2011．11—0710：45网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．1929．V．20111107．10

6、45．008．htmlDOI：CNKI：11．1929／V．20111107．1045．008基金项目：国家自然科学基金(10932008)；“111”计划(B07050)；航空科学基金(2008zF53050)*通讯作者Tel：029—88492906E—mail：liyulong@nwpuedu．cn簪l用格式lZhuL，CuiH，LiYL．etal．NumericalsimulationofthefailureofcompositeT-jointswithdefects．ActaAeronauticaetAstronauti．caSinica．2012t3

7、3(2)：287—296．朱亮．崔浩，李玉龙．等．含缺陷复合材料T型接头失效数值分析．航空学报．2012．33(2)：287—296．卿航空学报式的影响，评价影响结构性能的填充物参数(刚度)，对于改进接头的设计和制造工艺具有重要的意义。从公开发表的文献来看，针对含填充区缺陷时T型结构失效的研究工作较为欠缺，且前人的研究并没有考虑填充区的失效，仅仅是在填充区和层合板的界面上设置粘聚区单元来模拟其分层失效行为。本文的工作在于提供一种有效的数值手段，以准确预测T型结构的拉伸失效行为，且首次考虑含填充区失效的不同缺陷类型，并评估填充区缺陷对于结构力学性能的影响。文章的第

8、1部分建立了基于粘聚区的