一种活动面后缘缝合连接拉脱/剪切试验及分析

张弛

1试验内容

１．１试验件

试验件由上下两块壁板及后缘压板组成，上下壁板结构相同，均为泡沫夹层结构。后缘通过缝合方式连接，如图1所示。

图 1缝合后缘试验件

１．２加载要求

后缘拉脱强度试验加载时对壁板前端的一端进行约束，另一端加载，后缘剪切试验加载时对壁板前端的一端进行约束，另一端夹持加载，加载示意图见图2。

图 2拉脱、接剪切强度试验加载示意图

２实施方案

2.1试验夹持方案与夹具

拉脱试验夹持方案与夹具示意图见图3。

夹具与试验件通过机械或胶接连接，试验中保持上下加载端在同一平面内。夹具设计要求具有足够的刚度和强度，以确保试验件载荷施加符合试验要求。

试验夹具为对称的上下两件，由于加载方式不同，分别设计两套不同加载方案，如图3所示。

图 3拉脱试验夹持方案与夹具示意图

剪切试验方案与夹具示意图见图4。试验时将试验件固定在夹具中，加载时要保证两端载荷在一条直线上。试验夹具要求具有足够刚度和强度，以保证试验载荷施加的合理性和试验顺利进行。

图 4剪切试验方案与夹具示意图

2.2加载程序与应变测量

２．２．１加载程序

在将试验件固定在夹具并与试验机连接后，对试验件进行分级加载，试验加载速度均为2mm/min。试验分三个阶段进行加载：

第一阶段加载：加0％～30％的预估极限载荷停机，检查试验件的受力情况、夹具与试验件以及与设备连接状态、试验机运行情况、应变测量以及数据采集系统等的工作是否正常；记录测量数据，然后卸载，卸载后不允许试验件有永久的变形情况；

第二阶段加载：重复加0％～30％的极限载荷，要求试件相关测量数据与第一次加载试验具有可重复性。

第三阶段加载：加载至极限载荷，记录测量数据，进行现场拍照和录像。观察确定试验中试验件初始破坏载荷和破坏模式，以及最终破坏载荷和破坏模式。

分段加载中需要根据极限载荷方可确定加载比例。在试验前未知极限载荷情况下，可根据初步估算值确定。每組实验至少分10段加载。

为试验中细致观察应变数据变化，同时听声音确定初始破坏，观察确定初始破坏模式。试验施加最大载荷为试验件极限承载能力，其对应的破坏模式为最终破坏模式。

２．２．２应变测量

1）应变计基本布局

试件布置的应变计分布在试验件夹持端和经计算分析确定的应力集中处，以确定加载的载荷分布的合理性，同时可以确定结构破坏载荷。

2）应变测量要求

a. 测量与记录每一级载荷下的应变变化；

b. 通过应变测量确定试验件初始破坏和相应位置；

c．测量试验件在许用载荷作用下的应变状态，通过应变与载荷测量确定试验件的破坏载荷，以及破坏时的应变状态。

3数据处理与结果分析

3.1试验数据

通过载荷与应变测量可以直接得到载荷-位移曲线，由载荷位移曲线可分析试验件变形与载荷变化，得到试验件的初始破坏载荷和最终破坏载荷的等；试验中得到多条载荷-应变曲线，通过对载荷-应变曲线辅助分析可以获得试件起始破坏位置和破坏形式，进一步可分析对结构性能影响。

3.2试验结果及分析

３．２．１有限元模型

试验件有限元模型沿展向取一段，如图5所示。

根据试验件的结构形式，对其不同的部位赋予不同的材料、截面属性和单元类型。对于复合材料层板部分（对应于图5中的灰白色部分），赋予其复合材料的参数，这里所采用的复合材料为NCF布，其材料性能按所提供的数据输入有限元模型中，铺层同试验件CATIA模型中给出的铺层。这里对复合材料面板进行模拟采用的是ABAQUS中的八节点连续壳单元SC8R。对于试验件中的泡沫夹层部分、夹持端玻璃钢部分和后缘金属压板部分（分别对应于图5中的红色、蓝色和绿色部分），分别赋予其各向同性的泡沫、玻璃钢和铝的材料属性，并且有限元模型中采用三维实体单元对这三部分进行模拟。

由于试验件上下部分之间的界面是试验过程中重要的潜在破坏位置，因此需要重点对此处加以考虑。这里模型中采用ABAQUS中的界面单元进行模拟，界面单元的材料采用了Traction-Separation本构关系，该本构关系可用式(1)表示：

t■t■t■=K■K■K■?着■?着■?着■(1)

式(1)右端为界面单元的3个作用力：法向正应力t■、切向剪应力t■和t■，K■(i=n,s,t)为界面单元模型中三个应力所对应的刚度系数。?着■(i=n,s,t)为界面单元模型的三个应变，假设界面厚度为T■，则

?着■=■,?着■=■,?着■=■(2)

式(2)中，?啄■(i=n,s,t)为界面单元模型三个方向上的变形。

图5有限元模型

３．２．２载荷与边界条件

为了方便地在端部施加载荷或边界条件，将试验件上下两部分的端面分别同一个参考点耦合起来，这里使用了ABAQUS中的Coupling功能。在耦合时，将端面的六个自由度都同所对应的参考点耦合起来。

对试验件有限元模型在拉脱和剪切两种试验条件下施加载荷与边界条件进行分析。

拉脱试验，确定展向为x方向，弦向为y方向。对固定一端（下端）端面施加的边界条件为约束除绕x方向的转动之外的所有自由度；对加载一端（上端）端面施加的边界条件为约束x、y方向的平动和绕y、z方向的转动，同时沿z的正方向施加一定的位移，同时输出对应于此的支反力以查看对应的载荷大小。

对于剪切试验，施加边界条件时分别建立了对应于两端面板的坐标系，其中坐标系的x方向为展向，y方向为壁板平面内垂直于x的方向，z方向垂直于面板。固定一端（受压一端）端面边界条件为固支，同时这一端的外部面板限制沿垂直于面板的位移；加载一端（受拉一端）端面边界条件为在对应于这一端面板的坐标系下约束除y方向的平动之外的所有自由度，并在在y方向上施加一定的位移，同时输出对应于此的支反力以查看对应的载荷大小。

３．２．３有限元分析结果

（1）拉脱试验有限元分析结果

由应力云图可以看到，上下两部分对称面在所形成缺口尖端处应力集中，此处为拉脱试验破坏应考虑的危险部位之一。如试验件上下两部分之间界面之间的应力云图所示，拉脱试验条件下对称界面应力在缺口尖端处最大。从泡沫夹层应力图中可以看到，在上下两悬臂的的夹层泡沫部分存在较大应力，因此泡沫夹层也是拉脱试验破坏应考虑的危险部位之一。

图 6拉脱试验有限元分析结果

（2）剪切试验有限元分析结果

由应力云图可以看到，上下两部分对称面在所形成缺口尖端处应力集中，此处为剪切试验破坏应考虑的危险部位之一。试验件上下两部分之间界面之间的应力云图所示，剪切试验条件下对称界面应力在缺口尖端处最大，但同拉脱试验相比，分别在模型所加载荷条件下，对应于剪切试验的界面的应力水平要明显低于拉脱试验，各分量的情况同样如此。由泡沫夹层应力云图可以看到泡沫夹层中靠近后缘尖端部位为应力较大的部位，同时在靠近缺口部位的泡沫应力也较大，不过也与泡沫强度相差较大。

图7剪切试验有限元分析结果

４结论

通过有限元模型的计算结果，初步分析了各类试验中可能发生破坏的危险部位。对于拉脱试验还是剪切试验，需重点关注上下部位之间的对称面，而泡沫夹层可能是决定试验件最终破坏的部位。

［责任编辑：张涛］201210）