复合材料泡沫夹层板准静态压痕实验的有限元模拟.pdf

复合材料泡沫夹层板准静态压痕实验的有限元模拟１３复合材料泡沫夹层板准静态压痕实验的有限元模拟—ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＱｕａｓｉｓｔａｔｉｃＩｎｄｅｎｔａｔｉｏｎＴｅｓｔｓｏｎＦｏａｍＣｏｒｅＳａｎｄｗｉｃｈＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ谢宗蕻，刘海涵，田江（西北工业大学航天学院，西安７１００７２）——ＸＩＥＺｏｎｇｈｏｎｇ，ＬＩＵＨａｉｈａｎ，ＴＩＡＮＪｉａｎｇ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，ＮｏｒｔｈｗｅｓｔｅｒｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃａｌ’Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｎ７１００７２，Ｃｈｉｎａ）摘要：采用准静态压痕（ＱＳＩ）实验对复合材料泡沫夹层板进行研究，通过实验获得复合材料泡沫夹层板的损伤阻抗特性。使用ＡＮＳＹＳ建立复合材料夹层板准静态压痕实验的有限元模型，使用刚度折减方法模拟持续加载过程中的芯体失效过程，建立了复合材料泡沫夹层板在准静态压痕力作用下损伤阻抗特性的预测方法。通过有限元结果与实验结果比较，验证了模型的准确性和合理性。关键词：复合材料；泡沫夹层；损伤阻抗；有限元—ｄｏｉ：１０．３９６９／ｉ．ｉｓｓｎ．１００１４３８１．２０１４．０２．００３中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ———文章编号：１００１４３８１（２０１４）０２００１３０５—Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｑｕａｓｉｓｔａｔｉｃｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ（ＱＳＩ）ｔｅｓｔｓｗｅｒｅｐｅｒｆｏｒｍｅｄｏｎｆｏａｍｃｏｒｅｓａｎｄｗｉｃｈｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ａｎｄ—ｔｈｅｄａｍａｇｅｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｆｏａｍｃｏｒｅｓａｎｄｗｉｃｈｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｕｎｄｅｒｑｕａｓｉｓｔａｔｉｃｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ—ｆｏｒｃｅｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄ．ＴｈｅＦＥＭｍｏｄｅｌｗａｓｂｕｉｌｔｂｙｕｓｉｎｇＡｎｓｙｓＰａｒａｍｅｔｒｉｃＤｅｓｉｇｎＬａｎｇｕａｇｅ．Ｔｈｅｓｔｉｆｆｎｅｓｓｒｅｄｕｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｗａｓｕｓｅｄｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｔｈｅｃｏｒｅｄｕｒｉｎｇｔｈｅｌｏａｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．—Ａｍｅｔｈｏｄｏｆｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇｔｈｅｄａｍａｇｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｆｏａｍｃｏｒｅｓａｎｄｗｉｃｈｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｓｕｂｊｅｃｔｅｄｔｏｑｕａｓｉｓｔａｔｉｃｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．ＴｈｅＦＥＭｒｅｓｕｌｔｓｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｔｅｓｔｄａｔａ，ａｎｄａｇｏｏｄａｇｒｅｅｍｅｎｔｈａｓｂｅｅｎｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；ｆｏａｍｃｏｒｅｓａｎｄｗｉｃｈ；ｄａｍａｇｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ复合材料夹层结构由两块薄而强的纤维增强复合材料层合板面板，以及两板间密度较轻、尺寸较厚、承载能力相对较弱的芯体材料组成，与复合材料层合板相比，该结构在增重较少的前提下，大幅提高结构的刚度与强度，又因其抗失稳能力强、耐疲劳、吸音和隔热等优点，已被大量应用于现代飞机机身、垂尾和机翼的蒙皮等部位。由于复合材料夹层结构是复合材料层合板面板和芯体胶接而成，面板与芯体之间的界面连接强度较低，容易失效导致分层，进而影响芯材结构的整体强度；再者复合材料夹层结构本身对冲击作用比较敏感，抗冲击能力差，因此应用有一定的局限性，不宜用在飞机主承力结构上。目前，已有大量的国内外学者对复合材料夹层结构的性能进行了研究，并取得了不少的研究成果［１。飞机结构中广泛应用的复合材料夹层结构的芯体材料主要为Ｎｏｍｅｘ蜂窝、铝蜂窝和ＰＭＩ（聚甲基丙烯酰亚胺）泡沫。通常在夹层结构设计中，由于泡沫材料的密度比蜂窝要高，抗剪强度也低于同样密度的蜂窝材料，所以目前蜂窝材料的应用多于泡沫材料＿１。但是泡沫夹层结构也有其独特优势，１）从设计角度讲［１：泡沫材料的力学性能近似各向同性，而蜂窝是各向异性的，在复杂受力状态下，泡沫比蜂窝更能满足结构和强度的要求；２）从维修角度分析：蜂窝夹层结构的蒙皮当出现微裂纹时，水与水汽容易进入蜂窝，但对于闭孔泡沫的芯材，水和水汽不能进入芯材内部，从而减少了维护检查的成本；３）从工艺上分析口引：ＰＭＩ泡沫在进行适当的高温处理后，能够承受复合材料固化工艺的高温要求，可实现夹层结构的共固化；４）整体成复合材料泡沫夹层板准静态压痕实验的有限元模拟１７板准静态压痕实验的有限元模型模拟持续加载过程中芯体的失效过程。计算所得的压头接触力与压头位移曲线和实验结果吻合较好，本方法对复合材料泡沫夹层板损伤阻抗的预测具有很好的精度。（２）有限元提取出的芯体损伤区域与实验件切面观察得到的损伤模式相似。参考文献［１］马元春，韩海涛，卢子兴，等．缝纫泡沫夹芯复合材料失效强度的—理论预测与实验验证ＥＪ］．复合材料学报，２０１０，２７（５）：１０８１１５．ＭＡＹＣ，ＨＡＮＨＴ，ＬＵＺＸ，ｅｔａ１．Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎａｎｄ—ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅｆａｉｌｕｒｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｓｔｉｔｃｈｅｄｆｏａｍｃｏｒｅｓａｎｄｗｉｃｈｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ［Ｊ］．ＡｃｔａＭａｔｅｒｉａｅＣｏｍｐｏｓｉｔａｅＳｉｎｉｃａ，—２Ｏ１０，２７（５）：１０８１１５．Ｅｚ］高丽红，杨利．某型飞机用ＰＭＩ泡沫夹层复合材料的设计ＥＪ］．航—空工程进展，２０１０，１（４）：３７４３７８．—ＧＡ０ＬＨ．ＹＡＮＧＬ．ＤｅｓｉｇｎｏｆＰＭＩｆｏａｍｐｌａｓｔｉｃｓａｎｄｗｉｃｈｃｏｒｎｐｏｓｉｔｅｆｏｒｔｈｅａｉｒｐｌａｎｅＥＪ］．ＡｄｖａｎｃｅｓｉｎＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄ—Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１０，１（４）：３７４３７８．Ｅ３］ＲＩＺＯＶＶ，ＳＨＩＰＳＨＡＡ，ＺＥＮＫＥＲＴＤ．Ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎｓｔｕｄｙｏｆｆｏａｍｃｏｒｅｓａｎｄｗｉｃｈｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐａｎｅｌｓ口］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，—２００５，６９（１）：９５１Ｏ２．—［４］ＳＨＩＭＶＰＷ，ＹＡＰＫＹ．Ｍｏｄｅｌｌｉｎｇｉｍｐａｃｔｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｆｏａｍ—ｐｌａｔｅｓａｎｄｗｉｃｈｓｙｓｔｅｍｓＥＪ］．ＩｍｐａｃｔＥｎｇｎｇ，１９９７，１９（７）：６１５６３６．Ｅｓ］ＺＥＮＫＥＲＴＤ，ＳＨＩＰＳＨＡＡ，ＢＵＬＬＰ，ｅｔａ１．Ｄａｍａｇｅｔｏｌｅｒａｎｃｅａｓｓｅｓｓｍｅｎｔｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓａｎｄｗｉｃｈｐａｎｅｌｓｗｉｔｈｌｏｃａｌｉｓｅｄｄａｍａｇｅ—［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００５，６５（１５１６）：—２５９７２６１１．Ｅ６］ＸＩＥＺＨ．Ｄａｍａｇｅｔｏｌｅｒａｎｃｅｏｆｌｏｗｖｅｌｏｃｉｔｙｉｍｐａｃｔｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓａｎｄｗｉｃｈｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ［Ｄ］．ＵＳＡ：ＴｈｅＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭａｒｙｌａｎｄ，２００３．—［７］ＫＩＭＪ，ＳＷＡＮＳＯＮＳＲ．Ｄｅｓｉｇｎｏｆｓａｎｄｗｉｃｈｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｆｏｒｃｏｎ—ｃｅｎｔｒａｔｅｄｌｏａｄｉｎｇＥＪ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２００１，５２（３４）：—３６５３７３．—［８］ＰＡＲＫＪＨ，ＨＡｓＫ，ＫＡＮＧＫＷ，ｅｔａ１．ＩｍｐａｃｔｄａｍａｇｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｓａｎｄｗｉｃｈｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｕｂｊｅｃｔｅｄｔｏｌｏｗｖｅｌｏｃｉｔｙｉｍｐａｃｔＥＪ］．—ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭａｔｅｒｉａｌｓＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００８，２０１（１３）：—４２５４３０．Ｅ９］ＢＥＬＩＮＧＡＲＤＩＧ，ＣＡＶＡＴＯＲＴＡＭＰ，ＤＵＥＬＬＡＲ．Ｍａｔｅｒｉａｌ——ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉ０ｎｏｆａｃｏｍｐｏｓｉｔｅｆｏａｍｓａｎｄｗｉｃｈｆｏｒｔｈｅｆｒｏｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆａｈｉｇｈｓｐｅｅｄｔｒａｉｎＥＪ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２００３，６１—（１）：１３２５．Ｅｌｏ］孙春方，薛元德，胡培．复合材料泡沫夹层结构力学性能与实验—方法ＥＪ］．玻璃钢／复合材料，２００５，（２）：３６．ＳＵＮＣＦ．ＸＵＥＹＤ，ＨＵＰ．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄｔｅｓｔｍｅｔｈｏｄｆｏｒｆｏａｍｃｏｒｅｓａｎｄｗｉｃｈｓｔｒｕｃｔｕｒｅ［Ｊ］．ＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄ—Ｐｌａｓｔｉｃｓ／Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，２００５，（２）：３６．［１１］胡培．飞机夹层结构的设计和泡沫芯材的选择ＥＪ］．航空制造技—术，２Ｏ１ｏ，（１７）：９４９６．ＨＵＰ．Ｄｅｓｉｇｎｏｆｓａｎｄｗｉｃｈｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｆｏａｍｃｏｒｅ—ｍａｔｅｒｉａｌｆｏｒａｉｒｃｒａｆｔＩ－Ｊ］．ＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏ—ｇＹ，２０１０，（１７）：９４９６．［１２］胡培，陈秀华．ＰＭＩ泡沫夹芯结构在Ａ３８０后压力框上的应用—ｒＪ］．航空制造技术，２００９，（１５）：４６４９．ＨＵＰ，ＣＨＥＮＸＨ．ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＰＭＩｓａｎｄｗｉｃｈｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｎ—Ａ３８０ｐｒｅｓｓｕｒｅｂｕｌｋｈｅａｄ［Ｊ］．ＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈ—ｎｏｌｏｇｙ，２００９，（１５）：４６４９．［１３］贾欲明，韩全民，李巧，等．泡沫夹层结构在飞机次承力结构中的—应用［Ｊ］．航空制造技术，２００９，（增刊１）：８１２．—ＪＩＡＹＭ，ＨＡＮＱＭ，ＬＩＱ，ｅｔａ１．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｆｏａｍｓａｎｄｗｉｃｈｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎａｉｒｃｒａｆｔｓｅｃｏｎｄａｒｙｌｏａｄ－ｃａｒｒｙｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅ［Ｊ］．—ＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００９，（Ｓｕｐｐｌ１）：８１２．—［１４］ＮＥＴＴＬＥＳＡＴ，ＤＯＵＧＬＡＳＭＪ．Ａｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｑｕａｓｉｓｔａｔｉｃｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎｔｏｌｏｗ－ｖｅｌｏｃｉｔｙｉｍｐａｃｔ［Ｒ］．ＵＳＡ：ＮＡＳＡ，２０００．［１５］ＹＡＮＬ，ＡＮｘＦ，ＹＩｘＳ．Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｗｉｔｈｌｏｗ－ｖｅｌｏｃｉｔｙｉｍｐａｃｔ——ａｎｄｑｕａｓｉ－ｓｔａｔｉｃｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎｔｅｓｔｉｎｇｏｆｆｏａｍｃｏｒｅｓａｎｄｗｉｃｈｃｏｍ－—ｐｏｓｉｔｅｓＥＪ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓａｎｄＭａｔｈｅ—ｍａｔｉｃｓ，２０１２，２（１）：５８６２．［１６］ＢＥＲＮＡＲＤＭＬ，ＬＡＧＡＣＥＰＡ．Ｉｍｐａｃｔｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅ—ｓａｎｄｗｉｃｈｐｌａｔｅｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓａｎｄＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，１９８９，８（５）：４３２４４５．［１７］ＬＡＧＡＣＥＰＡ，ＷＩＬＬＡＭＳＯＮＪＥ，ＴＳＡＮＧＰＨＷ，ｅｔａ１．Ａｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙｐｒｏｐｏｓｉｔｉｏｎｆｏｒａｔｅｓｔｍｅｔｈｏｄｔｏｍｅａｓｕｒｅ（ｉｍｐａｃｔ）—ｄａｍａｇｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ＿Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓａｎｄＣｏｒｎ—ｐｏｓｉｔｅｓ，１９９３，（１２）：５８４６０１．［１８］ＬＩＱＭ，ＭＩＮＥＳＲＡＷ，ＢＩＲＣＨＲＳ．ＴｈｅｃｒｕｓｈｂｅｈａｖｉｏｕｒｏｆＲｏｈａｃｅｌｌ一５１ＷＦｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｆｏａｍ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆ—ＳｏｌｉｄｓａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２０００，３７（４３）：６３２１６３４１．———收稿日期：２０１２０４１５；修订日期：２０１３－０５２５作者简介：谢宗蕻（１９７３一），男，教授，博士，主要从事飞行器先进结构与复合材料方面的研究工作，联系地址：陕西省西安市友谊西路１２７号西北工业大学航天学院（７１００７２），Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｚｈａｅ＠ｎｗｐｕ．ｅｄｕ．ｅｎ通讯作者：刘海涵（１９８７一），男，硕士研究生，主要从事复合材料结构分析与设计方面的研究工作，联系地址：陕西省西安市友谊西路１２７号西—北工业大学航天学院谢宗蕻学科组（７１００７２），Ｅｍａｉｌ：ｌｈｎｘ３７９＠１２６．