复合材料T型接头力学性能分析及优化研究.pdf

２０１５年第４期玻璃钢／复合材料４１复合材料Ｔ型接头力学性能分析及优化研究李陵，徐峰，郑绍文（１．海军装备部，北京１００８４１；２．中国舰船研究设计中心，武汉４３００６４）摘要：Ｔ型接头作为常见的复合材料结构连接型式，其力学性能直接关系到结构的安全性。建立了考虑胶层的复合材料Ｔ型接头有限元模型，将仿真结果与试验图像进行对比，其变形形式和破坏模式与试验吻合较好。研究表明，在垂向载荷作用“”下，Ｔ型接头呈现Ｓ型弯曲；在蒙皮折角处以及端部胶接处出现应力集中；胶层剪应力两端大，中间出现低应力槽型区，弯曲正应力、等效应力呈现出双峰值特征；Ｔ型接头最有可能出现的破坏形式为胶层与蒙皮之间剥离，而芯材则由于应力集中引起剪切破坏或拉伸破坏。在折角处倒圆、在胶接处光滑过渡可以明显消除应力集中。关键词：Ｔ型接头；胶层；应力集中中图分类号：ＴＢ３３２文献标识码：Ａ——文章编号：１００３０９９９（２０１５）０４００４１－０６由于复合材料具有质量轻、强度高、耐腐蚀性好、绝缘耐温性好，以及良好的施工工艺性和可设计性等特点，在船舶工业中开始得到广泛的应用，如上层建筑、桅杆、舱壁、甲板等都有采用复合材料¨。由于复合材料具有非均匀性和各向异性，其力学性能在很大程度上取决于组分材料，因此，对复合材料结构应力场的计算，是安全、合理、有效使用复合材料的基础。层合结构的应力分析问题一般情况假定剪切变形沿厚度方向服从某一曲线分布，这种求解方法能满足一般弯曲问题的精度要求＇４Ｊ。胡伟平等＿５通过三角级数和勒让德级数，应用势能原理确定层合梁的应力场。Ｋａｓｈｔａｌｙａｎ等对夹层复合材料板进行了三维弹性分析Ｊ。李华东等研究了四边简支具有功能梯度芯材的夹层板在分布载荷作用下的弯曲问题＿７ｊ。袁坚锋等采用Ｒｉｔｚ法和最小势能原理推导出了正交各向异性复合材料层合板临界弯矩的解析解和屈曲强度校核方法ｊ。以上都是对单一简化模型进行分析，对于连接结构，从目前的应用来看，复合材料结构的连接方式主要有机械连接、胶接—连接、混合连接、缝合连接、ＺＰｉｎ连接。胶接连接一般适用于传递均布载荷或承受剪切载荷的部位，其结构轻、抗疲劳、密封、减振性能好，而抗剥离能力弱、’受湿热环境影响较大是胶接连接的主要缺点ｍｊ。国内外学者对复合材料Ｔ型接头开展了深入的研究，比较典型的有Ｔ型接头拉伸破坏强度研究¨］及动态响应研究引，复合材料Ｔ型接头极限承载能力和破坏模式研究¨等。但是，考虑胶层和应力集中对Ｔ型接头性能影响的研究较少。本文将在文献［１４］的试验基础上，建立考虑胶层的复合材料Ｔ型接头有限元模型，对Ｔ型接头力学性能和Ｔ型接头的破坏模式进行分析研究，并讨论消除应力集中的方法，以用于指导复合材料结构设计。１Ｔ型接头有限元模型图１为复合材料夹芯板示意图。复合材料夹芯板由上下蒙皮和芯材组成。与芯材相比，蒙皮通常用强度和弹性模量均较高的材料制成，而芯材通常用密度小、强度和弹性模量均较低的材料制成。芯层上蒙皮图１复合材料夹芯板示意图Ｆｉｇ．１ＤｉａｇｒａｍｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓａｎｄｗｉｃｈＴ型接头外形主要尺寸如图２所示，单位为ｍｍ，Ｔ型接头宽度为１００ｍｍ。图３为Ｔ型接头各组成部分编号，具体如下：ｉ一３：水平复合材料夹芯板上蒙皮水平段、折线段、竖向段；４～６：水平夹芯板下蒙皮水平段、折线段、竖向段；７、８：竖直夹芯板左蒙皮、右蒙皮；９：水平夹芯板的芯材；１０：Ｔ型接头胶层；１１：竖直夹芯板的芯材。图中箭头方向为夹芯板——收稿日期：２０１４１０２０作者简介：李陵（１９６７一），男，高级工程师，主要研究方向为舰船总体结构研究与设计。通讯作者：徐峰（１９８５一），男，硕士，主要研究方向为舰用复合材料，ｘｆ８５８９＠１６３．ｃｏｍ。ｌ赣，Ｉ４４复合材料Ｔ型接头力学性能分析及优化研究２０１５年４月折角也引起了应力集中。竖向蒙皮７、８的应力值明显低于水平蒙皮，其安全余量足够。９、１ｌ为芯材，芯材的正应力值和剪应力值均已超过极限强度，可能引发芯材在此处剪切破坏或拉伸破坏，应予以消除。１１为胶层，胶层应力在下节专门分析。表２各部位最大应力计算值Ｔａｂｌｅ２ＭａｘｓｔｒｅｓｓｖａｌｕｅｏｆａｌｌｐａｒｔｓＰａｒｔｌＰａｒｔ２Ｐａｒｔ３Ｐａｒｔ４Ｐａｒｔ５Ｐａｒｔ６Ｐａｒｔ７Ｐａｒｔ８Ｐａｒｔ９Ｐａｒｔ１０ＰａｒｔｌＦ６８．５８３．７３０．４６８．５８３．７３０．４１７．３１８．１５．２０２．６４０．６２／ＭＰａ１３．４１６．６５．９７１３．４１６．６５．９７３．８０３．９８２．７９１．９３０．１３／ＭＰａ’１．３９１．５５０．５８１．３９１．５５０．５８１．３３１．４２２．１０１．５４０．４８’巾肛注：（１）上表中计算值均为绝对值；（２）指在整体坐标系下的计算结果。３胶层应力分析图９为胶层的等效应力云图，胶层的应力水平—在１．１６３．３６ＭＰａ之间，其应力最大值发生在水平夹芯板上下蒙皮端部与竖向夹芯板胶接处，此应力水平对于是树脂的胶层来说，其强度储备足够。２４１Ｅ＋０图９胶层等效应力云图—Ｆｉｇ．９Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔｓｔｒｅｓｓｎｅｐｈｏｇｒａｍｏｆｂｏｎｄｌａｙｅｒ表３为胶层参考点应力计算值。图ｌ０为胶层剪应力下，、弯曲正应力ｏｒ、等效应力ｏｒ沿胶层高度方向的应力分布曲线。表３胶层参考点应力计算值’Ｔａｂｌｅ３ＣａｌｃｕｌａｔｅｄｓｔｒｅｓｓｖａｌｕｅｏｆｂｏｎｄｌａｙｅｒＳｒｅｆｅｒｅｎｃｅｐｏｉｎｔＦ】删㈡蛳００．（１２２０．０４４０．０６６０．０８８ＱＩ１ｎｌ３２ｎｌ５４ｎｌｎｌ９８０２２Ｄｉｓｔａｎｅｅ／ｍ图１０胶层应力分布曲线Ｆｉｇ．１０Ｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｃｕｒｖｅｏｆｂｏｎｄｌａｙｅｒ剪应力丁在一１．１８～１．５４ＭＰａ之间，关于Ｔ型接头对称轴对称分布。由于Ｔ型接头胶接材料的变化，在蒙皮胶接段，剪应力为槽型正剪切，由于胶接区域将发生材料变化，正剪切变为负剪切，在Ｂ处，负剪切达到最大值１．１８ＭＰａ，在ＢＤ区域，出现低应力的槽型负剪切。因此，同种材料胶接，其剪应力分布为两端大，中间为低应力槽型区，在材料发生变化处，其剪切方向可能发生改变。—弯曲正应力在一２．６４２．６４ＭＰａ之间，从应力曲线分布可以看出，Ｔ型接头对称轴即为胶层中性轴，其应力关于中性轴反对称分布，符合材料力学应力分布特征。不同的是在胶层最远处Ａ点、Ｔ型接头材料变化处Ｂ点，呈现出双峰值特征，其他区域的弯曲正应力水平极低。等效应力在１．０６～３．２４ＭＰａ之间，应力关于Ｔ型接头对称轴对称分布，同样呈现处双峰值特征。因为胶层当成各向同性材料处理，等效应力可以用来判断在复杂应力状态下，材料是否失效。以上分析表明，胶层的应力水平比较低。对于本文Ｔ型接头，胶层不太可能出现拉伸、剪切破坏。图６出现的Ｔ型接头上端破坏，是由于弯曲正应力ｏｒ引起了ＡＢ段胶层与蒙皮之间剥离。４应力集中消除４．１有限元模型处理从上节的分析可以看出，在蒙皮１、２拐点处和蒙皮２、３拐点处及参考点Ａ处都出现了不同程度的应力集中，对结构的安全影响较大，应予以消除。消除的方法是在拐点处倒圆，在参考点处光滑过渡。如图１１所示。复合材料Ｔ型接头力学性能分析及优化研究２０１５年４月弯曲；（２）Ｔ型接头在水平夹芯板上下蒙皮折角处以及端部与竖向夹芯板胶接处出现应力集中；（３）Ｔ型接头破坏模式为胶层与蒙皮之间剥离，芯材的正应力值和剪应力值均已超过极限强度，引发芯材在折角处的破坏；（４）同种材料胶接，其剪应力为两端大，中间出现低应力槽型区，在材料发生变化处，其剪切方向可能发生改变；弯曲正应力、等效应力呈现出双峰值特征，其他区域的弯曲正应力水平极低；（５）在水平夹芯板上下蒙皮折角处倒圆，在胶层与竖向夹芯板胶接处光滑过渡，可以明显消除应力集中，各主要应力最大值均出现大幅降低。在结构设计时，结构间拐点处应倒圆连接和光滑过渡，以免产生应力集中。参考文献［１］刘土光．复合材料在舰船上的应用展望［Ｊ］．舰船科学技术，２００５，２７（３）：９－１１．［２］唐红艳，王继辉，等．复合材料在海军舰艇上的国外应用现状及进展［Ｊ］．船舶，２００６，２：５．１１．［３］ＭａｉｔｉＤ．Ｋ．，ＳｉｎｈａＰ．Ｋ．．ＢｅｎｄｉｎｇａｎｄｆｒｅｅｖｉｂｒａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｈｅａｒＤｅｆｏｒｍａｂｌｅｌａｍｉｎａｔｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｂｅａｍｓｂｙｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ［Ｊ］．—ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｏｍｐｏｓｉｔｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，１９９４，２９（１）：４２１４３１．［４］ＯｍｒｉＲａｎｄ．Ｉｎｔｅｒｌａｍｉｎａｒｓｈｅａｒｓｔｒｅｓｓｅｓｉｎｓｏｌｉｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｂｅａｍｓ—ｕｓｉｎｇＡｃｏｍｐｌｅｔｅｏｕｔｏｆ－ｐｌａｎｅｓｈｅａｒｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ［Ｊ］．１９９８，—６６（６），７１３７２３．［５］胡伟平，孟庆春，张行．受分布载荷复合材料层合梁应力分析的一般理论［Ｊ］．应用力学学报，２００３，２０（１）：９８．１０２．［６］ＫａｓｈｔａｌｙａｎＭ，ＭｅｎｓｈｙｋｏｖａＭ．Ｔｈｒｅｅ．ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｅｌａｓｔｉｃｉｔｙｓｏｌｕｔｉｏｎｆｏｒｓａｎｄｗｉｃｈｐａｎｅｌｓｗｉｔｈａｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｌｙｇｒａｄｅｄｃｏｒｅ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ—Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，２００９，８７（８）：３６４３．［７］李华东，朱锡，梅志远，等．分布载荷作用下简支功能梯度夹层板的弯曲分析［Ｊ］．复合材料学报，２０１２，２９（２）：２１３．２１７．［８］袁坚锋，尼早，等．弯剪复合载荷作用下复合材料层合板屈曲的—强度校核方法［Ｊ］．复合材料学报，２０１４，３１（１）：２３４２４０．［９］张阿盈．复合材料胶接搭接接头应力分析方法研究［Ｊ］．航空工程进展，２０１２，３（２）：１６７．１７３．［１０］谢鸣九．复合材料连接［Ｍ］．上海：上海交通大学出版社，２０１１．［１１］ＴｈｅｏｔｏｋｏｇｌｕＥＥ，ＭｏａｎＴ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａ—ｌａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｔｕｄｙｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅＴ￣ｏｉｎｔｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｏｍｐｏｓｉｔｅＭａｔｅｒｉａｌｓ，１９９６．３０—（２）：１９０２０９．［１２］ＴｏｆｔｅｇａａｒｄＨ，ＬｙｓｔｒｕｏＡ．ＤｅｓｉｇｎａｎｄｔｅｓｔｏｆｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔＴ－ｊｏｉｎｔｆｏｒ—ｎａｖａｌｓｈｉｐｓ［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓｐａｒｔＡ：ＡｐｐｌｉｅｄＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＭａｎｕｆａｃ—ｔｕｒｉｎｇ，２００５，３６（８）：１０５５１０６５．［１３］ＺｈｏｕＤＷ，ＬｏｕｃａＬＡ，Ｓａｕｎｄｅ￣Ｍ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｓａｎｄ．ｗｉｃｈＴ－ｊｏｉｎｔｓｕｎｄｅｒｄｙｎａｍｉｃｌｏａｄｉｎｇ［Ｊ］．ＣｏｍｐｏｓｉｔｅｓｐａｒｔＢ：Ｅｎｇｉ－—ｎｅｅｒｉｎｇ，２００８，３９（６）：９７３９８５．［１４］陈亮，杨坤．夹芯复合材料Ｔ型接头制备工艺及力学性能试验研究［Ｊ］．中国舰船研究，２０１４，９（４）：６９．７５．［１５］周晓松，梅志远．舰船复合材料夹层板架结构的分级递进优化设计方法［Ｊ］．中国舰船研究，２０１４，９（４）：６３６９．ＲＥＳＥＡＲＣＨＡＮＤＡＮＡＬＹＳＩＳＯＮＴＨＥＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＰＲｏＰＥＲＴＩＥＳＡＮＤＯＰＴＩＭＩＺＡＴＩＯＮＦＯＲＣＯＭＰＯＳＩＴＥＴ－ＪＯＩＮＴＬＩＬｉｎｇ，ＸＵＦｅｎｇ，ＺＨＥＮＧＳｈａｏ．ｗｅｎ（１．ＮａｖａｌＡｒｍａｍｅｎｔＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＰＩＡＮ，Ｂｅｉｊｉｎｇ，１００８４１，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｈｉｎａＳｈｉｐＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄＤｅｓｉｇｎＣｅｎｔｒｅ，Ｗｕｈａｎ４３００６４，Ｃｈｉｎａ）’Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓｃｏｍｍｏｎｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｆｏｒｍｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，Ｔ－ｊｏｉｎｔｓｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｉｓｄｉｒｅｃｔｌｙｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅｓａｆｅｔｙｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．ＴｈｉｓｐａｐｅｒｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅＴ－ｊｏｉｎｔｓｃｏｎｓｉｄｅｒ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