复合材料结构设计手册

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1、·684·复合材料·创新与可持续发展整体化复合材料结构力学行为实验研究进展1111222姚学锋熊超鄢亚东吴清寇哲君胡孝才戴棣(1．清华大学工程力学系，北京100084;2.北京航空制造工程研究所，北京100024)摘要本文总结了整体化复合材料结构力学行为实验研究进展。主要包括:利用数字散斑相关方法和三角测量法对整体化复合材料结构的翘曲变形进行测试，分析了不同工艺结构对翘曲变形的影响;测试了整体化复合材料结构的矫正应力，得到不同载荷下的应力集中系数。利用钻孔法对整体化复合材料结构的残余应力进行了测量，得到了蒙

2、皮处和腹板处的残余正应力及残余切应力。最后对四种不同铺层方式和厚度的整体化T型结构进行拉伸破坏实验研究，得出了其位移场和应变场，分析了其破坏模式和失效机理。关键词复合材料整体化结构;翘曲变形;矫正应力;残余应力;破坏实验;数字散斑［1］整体化结构是近年来才提出的一种新的材料成型设计理念，它是指结构在设计制造时尽量采用［2］一次成型技术取代由零部件经紧固件连接组合而形成的一体化结构。整体化复合材料结构在加工成型过程中，会产生翘曲变形和残余应力，而在矫正翘曲变形过程中又会产生矫正应力。研究整体化复合材料结构的翘

3、曲变形、矫正应力、残余应力以及破坏性能，对整体化复合材料结构的工艺改进和工程应用都有着非常重要的意义。近年来，整体化复合材料结构的力学性能研究引起了国内外学者的广泛关注。在翘曲变形和矫正［3］方面，Swapan等应用投影云纹方法得到了不同尺寸效应下多重硅衬底制造过程的翘曲变形大小;［4］［5］Dong利用探针的方法测量了L型结构底面的翘曲变形。在残余应力测试方面，Chai等通过测量层［6］合板钻孔后表面的云纹图形变化来得到残余应力;Seif等人运用图像处理技术测量了碳纤维和玻璃［7］纤维复合材料薄壁圆柱的残

4、余应力。在破坏性能实验研究方面，Wagner通过界面单元模拟了T型结［8］构件的拉脱过程;Stickler等通过实验与有限元相结合的方法研究了T型结构件的极限载荷。1整体化结构翘曲变形研究整体化复合材料T型构件是由底面和侧面经不同的工艺过程制造而成的，主要方式有共固化、胶接共固化和二次胶接等。不同的工艺过程会产生不同程度的翘曲变形。本文采用DSCM和三角测量法，对图1所示整体化复合材料T型构件的翘曲变形进行实验研究。DSCM方法可非接触地测量全场变形，其基本原理是利用变形前后散斑图像灰度特征，建立变形前后图

5、像的对应关系，然后据此寻找变形前后对应点，得到其位移值。设变形前图像的灰度为f(x，y);变形后图像的灰度为g(x'，y')，根据文献［9］，取变形前后图像之间的相关系数为:∑∑[(f－[]f)·(g－[]g)]C=(1)122[∑∑(f－[]f)·∑∑(g－[]g)]2式中，[]f、[]g为灰度f(x，y)、g(x'，y')的系统平均值。对于变形前的图像中某微小区域，利用灰度［9］梯度算法在变形后的图像搜索使相关函数为最大时的位置，即得到了变形后对应区域，进而可以求得位移的变化量。复合材料性能测试与检测·

6、685·三角测量法是利用透镜成像的基本原理以及空间两条相交直线可以唯一确定一点来实现空间测量的。实际测量时，利用两台或者多台摄像机，各个摄像机的光心和像点组成的射线均通过空间物点，即各射线应在物点处相交，则可以对空间物点进行交会定位。采用上述测试原理，对于图1所示T型整体化复合材料构件进行测试，利用DSCM方法，通过相关计算可得如图2所示底面的等高线，同样可得试件侧面的参考面图像和散斑图像。然后利用图像拼接技术对底面和侧面进行匹配拼接，即图1整体化复合材料T型构件(mm)可获得试件的三维形貌如图3所示。图2

7、T型试件底面等高线测量结果图3T型试件三维图形匹配拼接图基于该方法，对六种不同工艺结构的T型试件进行测试，可得每个试件底面和侧面变形的最大值如表1所示。表1各个试件表面变形最大值编最大值(mm)工艺、结构号底面侧面1t=40mm，h=100mm2.0691.038共2固t=40mm，h=30mm3.0612.183化3t=100mm，h=30mm0.9101.8664二次胶结0.9342.7285共固化2.1812.3546胶结共固化3.1344.989比较表1数据可以看出，在不同的工艺情况下，二次胶结对底

8、面变形较小，而共固化对侧面变形控制更有利。但是根据试件尺寸和变形大小综合考虑二次胶结加工方式更加有利于减小试件变形。2整体化结构矫正应力实验研究在对整体化复合材料结构进行翘曲变形矫正时会产生矫正应力。测量矫正应力时，先对试件的变形最大点进行加载，获得其载荷—位移曲线，其次每隔一段采集试件端面的散斑图像，然后利用DSCM计算全场位移和应变场，再根据其本构关系得出矫正应力和应力集中系数。·686·复合材料·创新与可持