轴压载荷作用下复合材料单筋条壁 板后屈曲与损伤耦合分析

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1、轴压载荷作用下复合材料单筋条壁板后屈曲与损伤耦合分析南京航空航天大学二〇〇八年十月摘要复合材料加筋壁板是航空工程中应用比较广泛的典型结构细节件，对其力学性能进行研究具有重要意义。用数值分析方法研究复合材料典型结构单元在轴压作用下的失效机理和传载特性，对复合材料整体化结构的设计具有重要的指导意义。针对一种材料体系（T700/BA9916），设计了三种单筋条壁板试验件（L型、T型和M型筋条），采用ABAQUS商业化有限元分析软件共建立了9个分析模型，分别采用了结构后屈曲分析方法、融合渐进损伤分析的结构后屈曲分析方法和融合内聚力模型的结构后屈曲分析方法对相关模型的轴压失

2、效过程进行了模拟分析，并将不同分析结果和分析方法进行了对比，得到了一些对结构单元的细节设计具有指导意义的结论，并对进一步的研究工作进行了展望。关键词：单筋条壁板，后屈曲分析，渐进损伤分析，内聚力模型，承载能力目录摘要i第一章引言1第二章有限元分析方法22.1结构后屈曲分析22.2渐进损伤分析22.3基于内聚力模型的界面元分析3第三章有限元建模与分析43.1试验件设计43.2有限元建模与分析43.2.1L型单筋条壁板53.2.2T型单筋条壁板133.2.3M型单筋条壁板213.2.4三种单筋条壁板的综合分析29第四章结论与展望314.1全文总结314.2工作展望31

3、第一章引言随着先进复合材料在飞行器结构中的应用越来越多，结构设计理念正在发生变革，目前的主要发展趋势是采用整体化的设计思想。整体化设计指的是将若干个零件设计成一个较大的整体件，从而减少零件数量，减少连接件和连接过渡区附加重量、减少装配，进而减轻结构重量、降低成本。整体化工艺设计也日益受到重视与应用，如B-2飞机外翼整体翼面壁板、正弦波腹板梁、机翼整体下翼面壁板、A380安定面格栅结构壁板、整体缠绕机身等。复合材料结构整体化设计技术，是实现结构低成本、高性能的有效途径。用数值分析方法研究复合材料典型结构单元在轴压作用下的失效机理和传载特性，对复合材料整体化结构的设计

4、有重要的指导意义。另外，从飞机结构设计的角度来看，整体壁板在机身和机翼等部件上的使用越来越多，这源于整体壁板具有很多性能优点：（1）可大大地减轻结构重量；（2）没有蒙皮与长桁连接的孔，可提高整体油箱密封性，大大地减少壳体结构密封材料的用量；（3）净截面面积大于常规结构，从而提高了结构的疲劳寿命，同时可承受比较高的压缩屈曲载荷；（4）可大大地减少连接件和零件数量，减少装配工作量，简化了协调关系；（5）外形尺寸准确，表面光滑，减少飞行阻力，提高飞机性能。因而对整体壁板的力学性能进行分析，对飞机的结构设计具有重要的意义。鉴于上面所述，本文重点研究复合材料整体壁板的后屈曲

5、承载能力：针对一种材料体系（T700/BA9916），本文设计了三种单筋条壁板试验件（L型、T型和M型筋条），采用ABAQUS商业化有限元分析软件共建立了9个分析模型，对其轴压失效过程进行了模拟分析，并将不同分析结果和分析方法进行了对比，得到了一些有意义的结论，并对以后的工作进行了展望。第二章有限元分析方法2.1结构后屈曲分析复合材料加筋板的屈曲是指当平面载荷达到使初始平直的平衡状态不再稳定而挠曲成为曲面形状，使产生偏离平面状态的载荷称为屈曲载荷。平面载荷下复合材料结构的屈曲分析涉及到特征值问题的解答。具体分析方法如下：（1）首先进行特征值屈曲分析，得到一些特征值

6、和屈曲模态。特征值屈曲分析即为“结构弹性稳定分析”，指结构在外载荷作用下，在原来的平衡状态之外，出现了另一种平衡状态。在数学推导中解决的是一个求解特征值的问题，故而被称为特征值屈曲分析。特征值屈曲，仅考虑结构的线性行为。（2）由于第一阶模态最容易发生（载荷最小），取初始屈曲模态的横向位移值作为初始扰动加入到后面进行实际结构承载分析，得到结构的承载特性和失效破坏过程，这就是结构后屈曲分析。下面将采用上述方法对单筋条壁板进行结构后屈曲分析。2.2渐进损伤分析复合材料层压板是多相材料，其失效问题很复杂，主要包括单层内的材料失效和层间的分层失效模式。其中单层内的失效形式主

7、要为基体开裂和纤维断裂，分层失效模式主要为层间拉伸分层失效和剪切分层失效等。复合材料的损伤是一个渐进损伤的过程，薄弱处的失效会引起载荷的重新分配，各种不同形式的损伤会造成复合材料层压板的刚度不断折减，最后达到完全破坏，这是一个渐进的损伤过程，考虑材料失效过程及失效后结构性能不断变化的分析方法称之为渐进损伤分析方法(ProgressiveDamageAnalysis,PDA)。1980年，Hashin提出了改进的三维失效判据，Hashin认为横向应力和剪切应力对基体在拉伸或压缩载荷下的损伤也有贡献。纤维拉伸失效：(2-1)纤维压缩失效：(2-2)基体拉伸失效：(2-

8、3)基体压