含孔复合材料圆柱壳冲击破坏试验与有限元分析

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaMay252012Vol33No587I-878ISSN1000．6893CN11—1929／Vhtlp：dhkxbbuaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000—6893(Z012)05—087108含孔复合材料圆柱壳冲击破坏试验与有限元分析马健，燕瑛。，杨雷，刘玉佳，冉治国北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191摘要：为了揭示轴向压缩载荷与径向冲击载荷共同作用下复合材料壳体开孔处裂纹的产生机理，开展了含圆孔复合材料圆柱壳冲击试验，并对冲击试验进行了有限元仿真分析。

2、提出复杂冲击载荷作用下的动态响应分析方法，运用L孓DYNA对冲击载荷作用下含圆孔复合材料圆柱壳动态响应过程进行了模拟，采用含刚度退化的Chang—Chang失效准则预测复合材料圆柱壳破坏过程，得到的冲击加速度响应曲线及破坏区域与试验结果一致，验证了本文方法的正确性。对有限元模型进行动力学及静力学破坏分析，结果表明，径向冲击引起的环向拉应力是圆孔边缘破坏区域90。铺层纤维断裂与基体开裂的主要原因，而拉应力只引起06铺层基体开裂。由破坏起始分析可知，将复合材料圆柱壳90。铺层含量由20％提高至50％，可使结构承载能力增加56％。关键词：复合材料；圆柱壳；中图分类号：V258；TB332

3、径向载荷；动态响应；有限元分析文献标识码：A复合材料由于其优异的力学性能及可设计性，被越来越广泛地应用在航空航天结构中。飞行器复合材料壳体结构设计及使用过程中，通常设计有开孔区域将悬挂物与壳体机械连接。机动状态下，开孔区域不仅受到前后舱段的轴向载荷，还要承受装配物的径向冲击作用，开孔部位应力集中尤为严重，其强度问题在设计过程中需要着重考虑。在冲击载荷作用下，结构开孔部位往往最先发生破坏，影响飞行安全。研究复合材料壳体结构开孑L部位裂纹的产生机理，对于飞行器复合材料结构抗冲击性能设计具有重要意义。对于复合材料壳体结构在冲击作用下的响应，Khalili等u3研究了单元类型、求解方法等对

4、有限元模拟结果的影响，指出显式积分方法适合求解冲击问题，平面四边形单元在保证足够求解精度的前提下占用较少的计算时间。Taffaoui等[21采用Hashin失效准则研究了复合材料圆柱壳受轴向冲击载荷下的损伤机理，考虑了材料性能降级对单元失效的影响。Jafari等H3基于一阶剪切变形理论研究了铺层角度等因素对受轴向压缩及径向冲击载荷(所施加载荷小于圆柱壳届曲载荷)作用下圆柱壳的位移的影响，Azarafza等“]采用解析的方法研究了横向冲击载荷、轴向压缩载荷作用下复合材料圆柱壳结构优化问题，上述两篇文章都没有考虑圆孔对壳体结构的影响；Luo等¨。3研究了圆孔对裂纹产生的影响，试验中冲击

5、能量只引起基体开裂，没有出现纤维的断裂。然而，对于同时受轴向与径向冲击载荷作用下含孔复合材料壳体结构的破坏分析，鲜有学者研究。飞行器结构复杂，采用解析的方法求解工程问题将异常困难，数值模拟是设计优化的有效途径之一。文章提出复合材料壳体动态响应分析方收稿日期：2011-08-09；退恪日期：2011-08-29；录用日期：2011-12—05；网络出版时问：2们1-12-0917：25网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detall／11．1929．V．Z01112091725005h咖IDOI：CNKI：11．1929／V20111209．1725．005基金项目：国家“

6、973”计划(201108606105)*通讯作者．Tel．：们O-82315947E．mail：yingyan@buaa．edu．∞戤恿罄式

7、MaJ·YahYrYangL．etalExperimentsandfiniteelementanalysisoflaminatedcompositecylindricalshellswithcircularholesubjectedtOdynamicloads．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2012。33(5)：871-878．马健，燕瑛．榜1．等舍孔复合姥{{哮函柱壳冲击破坏试验与璃嚷元分析．航空

8、学报。2012．33t5)i871-878．航空学报法，并对复合材料壳体进行准静态分析，探讨采用静力学分析方法研究动力学问题的工程可行性。本文的研究可为飞行器复合材料结构抗冲击性能优化设计提供理论依据。1冲击试验复合材料圆柱壳外径600mm，长800mm，壁厚2．5mm；壳体表面铺设G0814／环氧平纹布，其余为T700／环氧单向带，铺层方式为[(±45)／0。／90：／o。]。，复合材料属性如表1所示。表中：E为弹性模量；G为剪切模量；口为泊松比；下标1、2、3表示