复合材料夹层梁树脂柱的影响分析.pdf

复合材料夹层梁树脂柱的影响分析２０１０年３月复合材料夹层梁树脂柱的影响分析姚秀冬，周叮，刘伟庆（南京工业大学土木工程学院，南京２１０００９）摘要：本文将芯层树脂柱和泡沫芯材分开，应用有限元商业软件ＡＮＳＹＳ对含有树脂柱的点阵增强型复合材料夹层梁建立物理模型，进行弹性力学分析。研究了树脂柱的分布与材料特性对芯层与上下面层层间应力分布以及梁跨中最大位移的影响，分析了树脂柱对于增强面层和芯层间抗剥离能力的作用。关键词：复合材料；梁；树脂柱；ＡＮＳＹＳ；剥离中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ———文章编号：１００３０９９９（２０１０）０２００４４０４１引言近年来，随着复合材料的高速发展，其应用领域越来越广泛，涉及军事设施、国防工程、车辆、舰船、建筑、桥梁等诸多领域。在实际工程中，复合材料梁被普遍使用。复合材料的结构精细、研制成本高、周期长、工艺复杂，以传统的配制试探方式加以研制，费时费力费钱，且难以得到准确而系统的科学结论。如今，借助大型有限元分析软件ＡＮＳＹＳ，可对复合材料实施优化设计，对结构承载受力及破坏过程进行计算机模拟，能够获得传统设计方法难以得到的一系列信息，节约费用，缩短研制周期。针对复合材料层合梁、板及加筋等结构类型，ＡＮＳＹＳ提供了一系列特殊的复合材料单元：如—ＳＨＥＬＬ９９、ＳＨＥＬＬ９１、ＳＨＥＬＬ１８１、ＳＯＬＩＩＭ６和ＳＯＬＩＤ１９１等。单元的选择依赖于结构的实际情况以及所需要的计算结果等，目前对复合材料夹层结构主要采用上述单元进行模拟和分析Ｌ１。但是，对于点阵增强型复合材料夹层结构，芯层树脂柱对整个结构的影响在这些单元中不能得到很好的反映。本文将芯层树脂柱和泡沫芯材分开，对含有树脂柱的点阵增强型复合材料夹层梁建立模型，应用ＡＮＳＹＳ进行弹性分析。研究了树脂柱对泡沫芯材受力、芯层与上下面层层间应力分布以及梁跨中最大位移的影响。与芯层无树脂柱情况的结果相比较，分析了树脂柱对于防止面层和芯层问剥离的积极作用，同时研究了树脂柱的分布、材料特性等参数对复合材料夹层梁面层和芯层之间抗剥离能力的影响。２建模与计算复合材料夹层结构由三部分组成，最外层是面板，主要承受弯曲变形引起的正应力；中间是芯材，为夹层结构提供足够的截面惯性矩，主要承受剪应力。对于点阵增强型复合材料夹层结构，芯材中含有的圆柱状树脂柱能够更好地连接面板和芯材，起到类似于螺栓的作用。对于点阵树脂柱增强泡沫芯材，树脂柱在其宏观结构中呈规则正交分布，因此，可认为树脂柱增强泡沫芯材是由一系列单胞在空间排列组成，单胞由泡沫芯材基体及树脂柱共同组成。当梁的宽度不大且树脂柱在宽度方向分布较密时，可忽略宽度的影响，将点阵增强型复合材料夹层结构简化为二维模型，即为矩形梁，相应地，芯层的树脂柱也简化为矩形。图１所示为点阵增强型复合材料夹层梁示意图，上下面层厚ｈ，芯层厚ｈ：，芯层每两条相邻的虚线内为一个单胞，长度为ｄ，单胞内中间位置为树脂柱，长度为ｂ，一定长度的芯层由多个单胞组成。假设面板、芯材主材、树脂柱三者之间无粘结滑移、未发生剥离现象，因此面板平面、芯材主材平面、树脂柱平面之间采用位移协调式，面板单元与芯材主材单元、芯材主材单元与树脂柱单元、面板单元与树脂柱单元共用节点。层层图ｌ增强型复合材料夹层梁示意图考虑一梁长２０００ｍｍ，上下面板厚ｈ＝１０ｍｍ，芯材厚ｈ：＝ｌＯ０ｍｍ的复合材料梁。纤维增强树脂收稿日期：２００８一ｌ１－０８基金项目：江苏省属高校自然科学重大基础研究项目（０６ＫＪＡ５６００２）作者简介：姚秀冬（１９８４．），男，硕士研究生，主要从事新型复合材料研究。２０１０年第２期玻璃钢／复合材料４５基面板以平面内受力为主，对于纤维布为四轴向［０／４５／９０／－４５］准正交玻璃纤维布，可将面板定义为各向同性材料，弹模为８５００ＭＰａ，泊松比为０．３；芯材主材为泡沫，弹模为７０ＭＰａ，泊松比为０．３；树脂柱弹模为３５００ＭＰａ，泊松比为０．２５。本文研究承受不同载荷的两种梁：一种是梁两端简支，上表面承受沿梁横向均布的载荷０．０５Ｎ／ｍｍ；另一种是梁一端固支，另一端简支且承受沿梁纵向均布的载荷１Ｎ／ｍｍ。采用８节点ＳＯＬＩＤ８２二维单元，以Ｘ方向单元边长为２ｍｍ，Ｙ方向单元边长为５ｒａｍ划分成矩形网格单元。因为复合材料夹层结构的塑性破坏过程较为复杂，本文只对模型作弹性力学分析。着重研究树脂柱的分布和材料特性对复合材料梁的位移、上下面层间的应力以及树脂柱与芯材主材间应力分布的影响。３树脂柱对复合材料梁位移的影响分析３．１树脂柱材性对梁跨中最大位移的影响分析考虑芯材树脂柱与单胞的面积比为１／１０，单胞长度为４０ｒａｍ，简支梁受横向均布载荷。表１给出了不同弹模下，树脂柱对复合材料梁的跨中最大位移的影响。表１树脂柱弹模对复合材料梁跨中最大位移的影响从表１中可以看出，树脂柱弹模越高，复合材料梁的跨中最大位移越小。然而树脂柱的弹模对复合材料梁抗弯刚度的影响并不大。从表１中可知，树脂柱的弹模提高３倍（１５００ＭＰａ到４５００ＭＰａ），跨中最大位移只提高了大约１．１％（５４．８７ｍｍ到５４．２７ｍｍ），影响有限。３．２树脂柱密度对复合材料梁跨中位移的影响分析保持芯材树脂柱与单胞的面积比ｂ／ｄ为１／１０不变，即树脂柱在芯层中的面积含量一定，改变单胞的长度ｄ，即改变芯层中树脂柱的疏密程度，图２给出了梁受横向载荷时，梁跨中位移所受的影响，图２中ｄ＝Ｏｍｍ表示芯层不含树脂柱，全部为泡沫。从图２中可以看出，当单胞长度由８０ｍｍ变为４０ｒａｍ时（树脂柱变密），梁的横向位移变化不明显。然而，当芯层不含树脂柱时，梁的横向位移增大了１０％左右，说明树脂柱的添加可适当提高复合材料０－ｌＯ－２０重一３０．４Ｏ一５０—６Ｏ０５００１０００１５００２０００Ｘ／ｍｍ图２不Ｉ司单胞长度时夹层梁ｙ方向位移夹层梁的抗弯刚度。４树脂柱对复合材料梁层间应力的影响分析４．１树脂柱材性对梁层间应力的影响分析芯材树脂柱与单胞的面积比为１／１０，单胞长度为４０ｒａｍ，考察受横向均布载荷的两端简支复合材料夹层梁和受纵向均布载荷的一端固支一端简支复合材料夹层梁，其正应力和剪应力均在梁的端部较大，且端部在制造和使用过程中易出现层间脱层，下面只分析梁最右端的应力分布情况。图３和图４分别给出了梁受横向和纵向载荷时，不同弹模下树脂柱对复合材料梁上下面层与芯层层问应力的影响。２０．２皇一４一６．８—１Ｏ１９８４１９８６１９８８ｌ９９０１９９２１９９４１９９６１９９８２０００Ｘ／ｍｍ（ａ）ａｖ４２叟、０—２１９８４１９８６１９８８ｌ９９０１９９２１９９４１９９６１９９８２０００Ｘ／ｍｍ（ｂ图３横向载荷下不同树脂柱弹模对应的面层与芯层层间应力门珏ｌ／ｃ瑚ｌｏ－Ｎｏ－２复合材料夹层梁树脂柱的影响分析２０１０年３月．８１９８４１９８６１９８８１９９０１９９２１９９４１９９６１９９８２０００Ｘ／ｍｍ（ａ）Ｏｘ１９８４１９８６１９８８１９９０１９９２１９９４１９９６１９９８２０００Ｘ／ｍｍＣＯ）Ｏｙ１９８４１９８６１９８８１９９０１９９２１９９４１９９６１９９８２０ｏ０Ｘ／ｍｍ（ｃ）ｘｘｙ图４纵向载荷下不同树脂柱弹模对应的面层与芯层层间应力从图３可看出，当梁受横向载荷时，层间正应力ｏｒ随着树脂柱弹模的增大而减小，影响较为明显，但是树脂柱弹模对层间剪应力．ｒ的影响不大。从图４可看出，梁受纵向载荷时，上层下表面正应力和层间剪应力随着树脂柱弹模的增大而减小，且变化明显。树脂柱弹模对树脂柱边缘区域层问正应力ｏｒ的影响非常明显，但对其他区域的影响很／Ｊ、。４．２树脂柱密度对梁层间应力的影响分析保持芯材树脂柱与单胞的面积比ｂ／ｄ＝１／１０不变，即树脂柱在芯层中的面积含量一定，改变单胞的长度ｄ，即改变芯层中树脂柱的疏密程度。图５和图６分别给出了梁受横向和纵向两种载荷时，梁眵Ｊ锄ｌ。．Ｎｏ．２９８４１９８６１９８８１９９０１９９２ｌ９９４ｌ９９６１９９８２０００Ｘ／ｍｍ（ａ）１９８４１９８６１９８８１９９０ｌ９９２１９９４ｌ９９６１９９８２０００Ｘ／ｍｍ（ｂ），图５横向载荷下不同单胞长度对应的面层与芯层层间应力上下面层与芯层层问的应力分布，ｄ＝０表示芯层中无树脂柱。从图５可看出，当梁受横向载荷时，如芯层中无树脂柱，叮的值比有树脂柱时要大，当树脂柱变密（ｄ＝８０ｒａｍ到ｄ＝４０ｒａｍ）时，ｏｒ值变小且变化很明显，但是下基本没有变化。从图６可看出，当梁受纵向载荷时，若芯层中无树脂柱，ｏｒ和下绝对值比有树脂柱时要大，当树脂柱变密（ｄ＝８０ｒａｍ到ｄ＝４０ｒａｍ）时，和下值变小且变化明显，但盯的变化则相对不明显。复合材料夹层梁在制造和使用过程中，面层与芯层层间容易产生剥离，这种层间剥离主要是由于面层与芯层层间应力所引起的。然而对于点阵增强型复合材料夹层梁，由于树脂柱的存在，使得某处的单块剥离不会沿着梁的长度方向迅速开展，起到了螺栓的作用，提高了层间的抗剥离能力。以上分析表明，芯层树脂柱的材性和疏密程度对点阵增强型复合材料夹层梁上下面层与芯层间的应力分布有一定影响。当梁受横向载荷时，芯层树脂柱的材料特性和疏密程度对ｏｒ影响较大，而当梁受纵向载荷时，芯层树脂柱的材料特性和疏密程度对仃和一ｒ影响较大。２Ｏ２４６８Ｏ２４６１囱口８６４２０２∞量ｘｌ¨ｍ舶枷¨＝；日皇０５ｎ∞苫２０１０年第２期玻璃钢／复合材料４７１９８４１９８６１９８８１９９０１９９２１９９４１９９６１９９８２０００Ｘ／ｍｍ（ａ）ｏｌ９８４１９８６１９８８１９９０１９９２ｌ９９４１９９６１９９８２０ｏ０Ｘ／ｍｍ（１９８４１９８６１９８８１９９０１９９２１９９４１９９６１９９８２０００Ｘ／ｒａｍ（ｃ图６纵向载荷下不同单胞长度对应的面层与芯层层间应力５结论本文应用ＡＮＳＹＳ分析了树脂柱对泡沫芯材受力、芯层与上下面层层问应力以及复合材料夹层梁跨中最大位移的影响。分析结果显示，树脂柱的存在对梁的抗弯刚度有一定的贡献，芯层树脂柱的材料特性和疏密程度对点阵增强型复合材料夹层梁上下面层与芯层层间应力分布有影响。当梁受横向载荷时，芯层树脂柱的材性和疏密程度对影响较大，而当梁受纵向载荷时，芯层树脂柱的材性和疏密程度对和丁的影响较大，且越靠近树脂柱边缘，影响越明显。树脂柱对复合材料夹层结构层间抗剥离能力的提高有一定的正面作用。本文的研究结果可以为点阵增强型复合材料夹层结构设计提供参考。参考文献［１］石建军等．ＳｈｃｌＤ１单元在复合材料蜂窝夹层结构分析中的应用［Ｊ］．纤维复合材料，２００６，（３）：４ＪＤ４２．［２］李涛，樊庆文．ＡＮＳＹＳ在复合材料应力分析中的应用［Ｊ］．机械，２００６，１２（３３）：４７４８．［３］矿祺等．ＡＮＳＹＳ在复合材料夹层结构屈曲分析中的应用［Ｊ］．—科学技术与工程，２００５，５（３２）：１８３６１８３８．［４］刑静忠．ＡＮＳＹＳ应用实例与分析［Ｍ］．北京：科学出版社，２００５．［５］ＳｈａｏＨｕｉｚｈａｎｇ，ＨｕａＬｉｎｇｃｈｅｍＡｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｄａｍｐｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓ・ｔｉｅｓｏｆｌａｍｉｎａｔｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｗｉｔｈｉｎｔｅｇｒａｌｖｉｓｃｏｅｌａｓｔｉｃｅｒｓ［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，１（７４）：６３－６９．—［６］Ｅ。Ｊ．Ｂａｒｂｅｍ，Ｐ．Ｌｏｎｃｔｆｉ，ＫｋＳｉｋｋｉＬＦｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｃｏｎｔｉｎｕｕｍｄａｍａｇｅｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆｐｌａｉｎｗｅａｖｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ—ＰａｒｔＢ：Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２－３（３７）：１３１１４７．［７］孙江，肖琪．Ｏ。和９ｏ。缠绕角圆和非圆截面梁在拉弯载荷下的位移计算［Ｊ］．玻璃钢／复合材料，２００７，（０６）：３－５．［８］李成等．复合材料孔边应力场的有限元分析［Ｊ］．玻璃钢／复合材料．２００８，（０３）：７＿９．ＥＦＦＥＣＴＡＮＡＬＹＳＩＳｏＦＲＥＳＩＣＣｏＩＪＭＮＳＩＮＣｏ佃ｏＳ珊Ｍ＿ＡＴＥＲＩＡＬＳＡＮＤＷＩＣＨＢＥＡＭＳ——ＹＡＯＸｉｕｄｏｎｇ，ＺＨＯＵＤｉｎｇ，ＬＩＵＷｅｉｑｉｎｇ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２ｌ０００９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｅｐａｒａｔｉｎｇｔｈｅｒｅｓｉｎｉｃｃｏｌｕｍｎｓｆｒｏｍｔｈｅｆｏａｍｉｎｔｈｅｃｏｒｅｌａｙｅｒ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｂｕｉｌｄｓａｐｈｙｓｉｃａｌｍｏｄｅｌｆｏｒ—ｔｈｅｅｌａｓｔｉｃｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓｏｆｇｒｏｏｖｅｄｐｅｒｆｏｒａｔｉｏｎｓａｎｄｗｉｃｈｂｅａｍｓｂｙｕｓｅｏｆｔｈｅｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｓｏｆｔｗａｒｅＡＮＳＹＳ．Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｓｏｆｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｎｄｍａｔｅｒｉａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｒｅｓｉｎｉｃｃｏ］ｕｍｎｓｏｎｔｈｅｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｂｅｔｗｅｅｎ山ｅｃｏｒｅｌａｙｅｒａｎｄｔｈｅｆａｃｉａｌｌａｙｅｒｓａｒｅｓｔｕｄｉｅｄ，ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔａｔｔｈｅｍｉｄｄｌｅｏｆｔｈｅｂｅａｍｉｓｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．ＴｈｅｍｌｅｏｆｒｅｓｉｎｉｃｃｏｌｕｍｎｓｉｎｐｒｅｖｅｎｔｉｎｇｄｅｌａｍｉｎａｔｉｏｎｓｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｃｏｒｅｌａｙｅｒａｎｄｔｈｅｆａｃｉａｌｌａｙｅｒｓｉＳａｎａｌｙｚｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌ；ｂｅａｍ；ｒｅｓｉｎｉｃｃｏｌｕｍｎｓ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ；ｄｅｌａｍｉｎａｔｉｏｎ０鞫奄如６８Ｏ２４６８Ｏ２