复合材料壁板大开口结构拉伸性能研究

薛俊川++战宇

摘 要：采用两种建模方法对复合材料壁板大开口结构进行拉伸模拟，第一种采用SC8R连续体壳单元离散，第二种采用S4R常规壳单元离散，并将两种模拟结果与试验结果进行分析比较，验证有限元模型的准确性，并分析模拟与试验结果出现偏差的原因。 试验及模拟结果表明壁板开孔补强方法有效，满足工程使用要求。

关键词：复合材料 开孔壁板 拉伸 有限元

中图分类号：V224 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（b）-0081-01

复合材料以其比强度高，比刚度大、可设计性强、抗疲劳断裂性能好和耐腐蚀等优点大面积应用于飞机结构设计中[1]。在飞机结构设计中，机体主承力结构占总重量的70%以上，所以为了获得明显的减重效益，就必须将复合材料应用于主承力结构上。复合材料加筋壁板是工程中应用比较广泛的一种结构，由于维修和装配等原因，常常在壁板上设置口盖，导致开口部位出现很大应力集中，为了保证结构的使用安全，常常需要对结构进行强度分析[2]。

1 试验方案

本次试验的极限载荷为400 kN，限制载荷为268 kN，温度：（23±3）℃；相对湿度：（50±5）%。考虑环境影响，环境影响因子1.2。共布置应变花24个，单轴应变计116个。以5%极限载荷为级差，加载至50%极限载荷，然后以2%极限载荷为级差，加载至100%极限载荷，最后以1%极限载荷为级差加载至300%极限载荷，加载完成后卸载。

2 有限元模型

第一种有限元模型：复合材料大开孔壁板和长桁均采用SC8R连续体壳单元离散，同时在蒙皮和长桁之间预置一层粘接元，粘接元采用COH3D8单元模拟。对于铺层递减区域，首先在三维模型里划分出相应的区域，然后对体壳单元赋予铺层属性时，只需要设置为递减之后的铺层属性即可，这种建模方法简单易懂，且耗时较短。

第二种有限元模型：复合材料大开孔壁板和长桁均采用S4R常规壳单元离散，同时在蒙皮和长桁之间预置一层粘接元，粘接元采用COH3D8单元模拟。

在300%极限载荷情况下，结构最大纵向拉伸应变均出现在复合材料壁板大开孔周围，第一种有限元模型最大纵向拉伸应变为8053，第二种有限元模型最大纵向拉伸应变为9717。第一种模型与实验值8550更为接近。两种建模方法下的结构刚度，第一种略大于第二种，整个加载过程中曲线的斜率并未出现变化，也未出现明显的掉载点，说明整个过程中整个结构刚度基本没有变化，整个结构在模拟过程中未出现破坏，这与试验结果基本符合。与模拟结果不相符的是在试验过程中，首先脱粘的位置是大开孔上方长桁与壁板之间，考虑可能是预制冲击损伤时，由壁板内侧向外侧冲击时，造成长桁与壁板间的界面性能下降，因此在拉伸过程中冲击附近位置的长桁和壁板发生脱粘。

3 结果对比

考虑到壁板的左右对称，针对整个结构中比较典型的位置处应变片的数值与模拟过程中的数值进行比较.

在复合材料大开口附近的几个典型应变片位置中，常规壳单元建模模拟出的结果更接近试验值，而在远离大开口的位置连续壳单元建模模拟的结果更接近试验值，考虑到可能由于在大开口附近严重的应力集中导致原本厚度就比较小的连续壳单元网格更加扭曲，出现严重变形而导致结果出现失真。有些位置有限元的模拟结果和试验结果在刚加载阶段差距比较大，但是在接近300%极限载荷时比较接近，考虑到可能因为试验件长度比较大，导致在加载过程中出现偏心，从而在加载初期出现模拟与试验之间的偏差。有些位置有限元模拟结果跟试验结果差距比较大，考虑可能在试验过程中由于长桁与壁板出现脱粘造成。

4 结论

（1）应用有限元模拟拉伸过程与试验结果基本吻合，说明本文有限元建模方法具有较好的精度，因此应用此种方法可对不同构型及尺寸参数的壁板进行模拟分析，从而为进行结构优化设计及工程应用提供参考。

（2）复合材料开口壁板补强之后，结构安全可靠，满足工程要求。

参考文献

[1] 杜善义.先进复合材料与航空航天[J].复合材料学报，2007，24（1）：1-12.

[2] Zimmermann R，Klein H，Kling A.Buckling and post-buckling of stringer stiffened fibre composite curved panels-Tests and computations. Composite Structures，2006.endprint

摘 要：采用两种建模方法对复合材料壁板大开口结构进行拉伸模拟，第一种采用SC8R连续体壳单元离散，第二种采用S4R常规壳单元离散，并将两种模拟结果与试验结果进行分析比较，验证有限元模型的准确性，并分析模拟与试验结果出现偏差的原因。 试验及模拟结果表明壁板开孔补强方法有效，满足工程使用要求。

关键词：复合材料 开孔壁板 拉伸 有限元

中图分类号：V224 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（b）-0081-01

复合材料以其比强度高，比刚度大、可设计性强、抗疲劳断裂性能好和耐腐蚀等优点大面积应用于飞机结构设计中[1]。在飞机结构设计中，机体主承力结构占总重量的70%以上，所以为了获得明显的减重效益，就必须将复合材料应用于主承力结构上。复合材料加筋壁板是工程中应用比较广泛的一种结构，由于维修和装配等原因，常常在壁板上设置口盖，导致开口部位出现很大应力集中，为了保证结构的使用安全，常常需要对结构进行强度分析[2]。

1 试验方案

本次试验的极限载荷为400 kN，限制载荷为268 kN，温度：（23±3）℃；相对湿度：（50±5）%。考虑环境影响，环境影响因子1.2。共布置应变花24个，单轴应变计116个。以5%极限载荷为级差，加载至50%极限载荷，然后以2%极限载荷为级差，加载至100%极限载荷，最后以1%极限载荷为级差加载至300%极限载荷，加载完成后卸载。

2 有限元模型

第一种有限元模型：复合材料大开孔壁板和长桁均采用SC8R连续体壳单元离散，同时在蒙皮和长桁之间预置一层粘接元，粘接元采用COH3D8单元模拟。对于铺层递减区域，首先在三维模型里划分出相应的区域，然后对体壳单元赋予铺层属性时，只需要设置为递减之后的铺层属性即可，这种建模方法简单易懂，且耗时较短。

第二种有限元模型：复合材料大开孔壁板和长桁均采用S4R常规壳单元离散，同时在蒙皮和长桁之间预置一层粘接元，粘接元采用COH3D8单元模拟。

在300%极限载荷情况下，结构最大纵向拉伸应变均出现在复合材料壁板大开孔周围，第一种有限元模型最大纵向拉伸应变为8053，第二种有限元模型最大纵向拉伸应变为9717。第一种模型与实验值8550更为接近。两种建模方法下的结构刚度，第一种略大于第二种，整个加载过程中曲线的斜率并未出现变化，也未出现明显的掉载点，说明整个过程中整个结构刚度基本没有变化，整个结构在模拟过程中未出现破坏，这与试验结果基本符合。与模拟结果不相符的是在试验过程中，首先脱粘的位置是大开孔上方长桁与壁板之间，考虑可能是预制冲击损伤时，由壁板内侧向外侧冲击时，造成长桁与壁板间的界面性能下降，因此在拉伸过程中冲击附近位置的长桁和壁板发生脱粘。

3 结果对比

考虑到壁板的左右对称，针对整个结构中比较典型的位置处应变片的数值与模拟过程中的数值进行比较.

在复合材料大开口附近的几个典型应变片位置中，常规壳单元建模模拟出的结果更接近试验值，而在远离大开口的位置连续壳单元建模模拟的结果更接近试验值，考虑到可能由于在大开口附近严重的应力集中导致原本厚度就比较小的连续壳单元网格更加扭曲，出现严重变形而导致结果出现失真。有些位置有限元的模拟结果和试验结果在刚加载阶段差距比较大，但是在接近300%极限载荷时比较接近，考虑到可能因为试验件长度比较大，导致在加载过程中出现偏心，从而在加载初期出现模拟与试验之间的偏差。有些位置有限元模拟结果跟试验结果差距比较大，考虑可能在试验过程中由于长桁与壁板出现脱粘造成。

4 结论

（1）应用有限元模拟拉伸过程与试验结果基本吻合，说明本文有限元建模方法具有较好的精度，因此应用此种方法可对不同构型及尺寸参数的壁板进行模拟分析，从而为进行结构优化设计及工程应用提供参考。

（2）复合材料开口壁板补强之后，结构安全可靠，满足工程要求。

参考文献

[1] 杜善义.先进复合材料与航空航天[J].复合材料学报，2007，24（1）：1-12.

[2] Zimmermann R，Klein H，Kling A.Buckling and post-buckling of stringer stiffened fibre composite curved panels-Tests and computations. Composite Structures，2006.endprint

摘 要：采用两种建模方法对复合材料壁板大开口结构进行拉伸模拟，第一种采用SC8R连续体壳单元离散，第二种采用S4R常规壳单元离散，并将两种模拟结果与试验结果进行分析比较，验证有限元模型的准确性，并分析模拟与试验结果出现偏差的原因。 试验及模拟结果表明壁板开孔补强方法有效，满足工程使用要求。

关键词：复合材料 开孔壁板 拉伸 有限元

中图分类号：V224 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）08（b）-0081-01

复合材料以其比强度高，比刚度大、可设计性强、抗疲劳断裂性能好和耐腐蚀等优点大面积应用于飞机结构设计中[1]。在飞机结构设计中，机体主承力结构占总重量的70%以上，所以为了获得明显的减重效益，就必须将复合材料应用于主承力结构上。复合材料加筋壁板是工程中应用比较广泛的一种结构，由于维修和装配等原因，常常在壁板上设置口盖，导致开口部位出现很大应力集中，为了保证结构的使用安全，常常需要对结构进行强度分析[2]。

1 试验方案

本次试验的极限载荷为400 kN，限制载荷为268 kN，温度：（23±3）℃；相对湿度：（50±5）%。考虑环境影响，环境影响因子1.2。共布置应变花24个，单轴应变计116个。以5%极限载荷为级差，加载至50%极限载荷，然后以2%极限载荷为级差，加载至100%极限载荷，最后以1%极限载荷为级差加载至300%极限载荷，加载完成后卸载。

2 有限元模型

第一种有限元模型：复合材料大开孔壁板和长桁均采用SC8R连续体壳单元离散，同时在蒙皮和长桁之间预置一层粘接元，粘接元采用COH3D8单元模拟。对于铺层递减区域，首先在三维模型里划分出相应的区域，然后对体壳单元赋予铺层属性时，只需要设置为递减之后的铺层属性即可，这种建模方法简单易懂，且耗时较短。

第二种有限元模型：复合材料大开孔壁板和长桁均采用S4R常规壳单元离散，同时在蒙皮和长桁之间预置一层粘接元，粘接元采用COH3D8单元模拟。

在300%极限载荷情况下，结构最大纵向拉伸应变均出现在复合材料壁板大开孔周围，第一种有限元模型最大纵向拉伸应变为8053，第二种有限元模型最大纵向拉伸应变为9717。第一种模型与实验值8550更为接近。两种建模方法下的结构刚度，第一种略大于第二种，整个加载过程中曲线的斜率并未出现变化，也未出现明显的掉载点，说明整个过程中整个结构刚度基本没有变化，整个结构在模拟过程中未出现破坏，这与试验结果基本符合。与模拟结果不相符的是在试验过程中，首先脱粘的位置是大开孔上方长桁与壁板之间，考虑可能是预制冲击损伤时，由壁板内侧向外侧冲击时，造成长桁与壁板间的界面性能下降，因此在拉伸过程中冲击附近位置的长桁和壁板发生脱粘。

3 结果对比

考虑到壁板的左右对称，针对整个结构中比较典型的位置处应变片的数值与模拟过程中的数值进行比较.

在复合材料大开口附近的几个典型应变片位置中，常规壳单元建模模拟出的结果更接近试验值，而在远离大开口的位置连续壳单元建模模拟的结果更接近试验值，考虑到可能由于在大开口附近严重的应力集中导致原本厚度就比较小的连续壳单元网格更加扭曲，出现严重变形而导致结果出现失真。有些位置有限元的模拟结果和试验结果在刚加载阶段差距比较大，但是在接近300%极限载荷时比较接近，考虑到可能因为试验件长度比较大，导致在加载过程中出现偏心，从而在加载初期出现模拟与试验之间的偏差。有些位置有限元模拟结果跟试验结果差距比较大，考虑可能在试验过程中由于长桁与壁板出现脱粘造成。

4 结论

（1）应用有限元模拟拉伸过程与试验结果基本吻合，说明本文有限元建模方法具有较好的精度，因此应用此种方法可对不同构型及尺寸参数的壁板进行模拟分析，从而为进行结构优化设计及工程应用提供参考。

（2）复合材料开口壁板补强之后，结构安全可靠，满足工程要求。

参考文献

[1] 杜善义.先进复合材料与航空航天[J].复合材料学报，2007，24（1）：1-12.

[2] Zimmermann R，Klein H，Kling A.Buckling and post-buckling of stringer stiffened fibre composite curved panels-Tests and computations. Composite Structures，2006.endprint