复合材料层合板的开口补强研究进展

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1、第4卷第1期航空工程进展Vo!·4No-11111生!旦垒里∑垒型里垦!!些垒三垦呈些垒坚三!呈垒兰!呈!三些呈三垒望呈三里呈!些兰兰里!些呈!!!：!!!!文章编号：1674—8190(2013)01—010—07复合材料层合板的开口补强研究进展刘婷(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：复合材料在航空结构中的应用越来越广，在复合材料层合板上开口对其结构力学性能的影响需引起研究人员的重视。针对国内外近十年来的研究工作，系统地回顾了复合材料层合板的开El力学性能及补强

2、设计方法的研究进展，从开口区域应力集中、开口层板稳定性研究、失效模式及补强方法等方面做了阐述；并对未来含有开口的复合材料结构设计的研究提出了一些建议。关键词：复合材料层合板；开口补强；应力集中；屈曲；失效模式中图分类号：TB332文献标识码：ACutoutReinforcementResearchProgressofCompositeLaminates0引言I。iuTing(ShanghaiAircraftDesignandResearchInstitute，CommercialAircraftC

3、orporationofChina，Ltd．，Shanghai200232，China)先进复合材料凭借其优异特性，在航空、航天、汽车等诸多领域得到广泛应用，尤其是在航空结构上，其高比强度和高比刚度使得复合材料非常有竞争力。相同结构采用复合材料可比常规的金属材料结构减重25％～30％，并可明显改善飞机气动弹性特性，提高飞行性能，这是其他常规材料所无法或者难以实现的。因此，在当代飞机结构设计中，先进复合材料在飞机上应用的部位和用量已成收稿日期：2012-08—15；修回日期：2012-1卜25通信作

4、者：刘婷，liuting@comac．cc为衡量飞机结构先进性的重要指标之一[1]。在飞机结构设计中，由于制造及使用功能上的要求，如工艺施工、检查维修、设备安装、管道通过等，在飞机使用的复合材料层合板结构件上开口通常是不可避免的。与传统的金属材料相比，复合材料结构上的开口有以下特点：①复合材料从初始承载阶段直到破坏，开口区域无明显的塑性变形；②在复合材料结构的开口边缘存在边界效应；③复合材料的开口影响区比金属结构相应的开口影响区大；④复合材料层合板的层间剪切强度和刚度比较低，开口不易补强，且补强范

5、围应比金属结构的大。同时，结构稳定性是飞机结构设计中的重要问题，在飞机的静力试验中，全机的最终破坏大都是由局～．喜加～～一～抵托mb乩d∞幔眦～～一一一一一一"毗一一1．"一呲h．㈣∽mM圳=董Ⅻ一．一～～～一一洲麓雾篓一蛐一一一一一一一～“礼妇∑警黜一B缸．Ⅲh心m峨∞一一一一一一一一∞蛐叭l耄～．荟_

6、薹斌．～一一～～一～一一～一～一～一～一一一～一一一～～一一一一一～一一一～～～～～～一一一一～～～一一一一一一第1期刘婷：复合材料层合板的开口补强研究进展部结构的稳定性丧失而引起的‘2

7、。因此

8、，对复合材料层合结构开口(开孔)部位的补强显得尤为重要。与金属结构类似，对复合材料结构件，不同的开口形式对载荷的响应不同，补强方法也有差别，从而对飞机的重量、维修性、使用寿命、制造装配工艺都会产生很大影响。随着现代民用客机的复合材料使用率越来越高，对复合材料结构开口设计的要求也日趋严格。我国航空产业发展蒸蒸日上，自2010年起，“大型飞机国家科技重大专项”进入了飞机全面设计工作阶段。大型客机由于其结构尺度效应明显，关键受力构件的载荷环境相对复杂，因此有必要针对大型客机复合材料结构件的开口设计、补强

9、工艺、稳定性等进行系统地研究，以形成一套适合于大型民用飞机机翼复合材料梁结构开口设计及补强方法，为我国的大型客机设计提供技术支持。综上所述，对复合材料开口结构及补强设计方法的研究对飞行器结构设计具有重要的实际工程指导意义。在进行开口及开口补强优化设计的工作之前，首先要对含有开口的层合板的力学性能有系统了解，这样才能做到有的放矢。开口对层合板力学性能的影响与其开口形式及其他相关参数有着极为密切的关系，满足相同功能条件下的不同形式的开口对层合板的应力／应变分布及临界屈曲载荷的影响是不同的。国外很早就已

10、经开始对含有开口的复合材料层合板的力学性能进行研究，已完成的研究工作主要集中在开口周边应力／应变分析、结构稳定性和开口对层合板在特定载荷作用下的失效行为的影响。1含开口复合材料层合板的力学性能1．1开口区应力集中对于各向同性材料，一般用应力集中因子(scf)来描述其结构的应力／应变集中程度，具体表达如下K，一O—'m—ax(1)口”式中：盯。。。为集中点的应力最大值；“为基准应力，又称作远场应力。很多学者在研究复合材料应力／应变集中现象时，也沿用这种描述方法‘3

11、。要想准确描述开口