碳纤维增强泡沫铝夹芯梁弯曲性能数值模拟

郭 昕

（中国石油天然气股份有限公司重庆销售涪陵分公司， 重庆 408000）

0 引言

复合材料夹层结构由于其结构合理，质量轻等特点而被广泛应用于航空航天、建筑工程、造船、交通等领域中。根据夹层结构所使用的芯材种类和形式的不同，夹层结构可分为：泡沫夹层结构，蜂窝夹层结构，梯形板夹层结构。泡沫铝夹层结构是一种新型的夹层结构。由于泡沫铝材料本身的具有一定的刚度与强度，较其它泡沫材料具有更好地力学性能及延性，故这种新型结构的应用前景较为广阔。从目前发展现状来看，泡沫铝夹芯件有比单纯泡沫铝材料更为广泛的应用。[1]。

目前，关于泡沫铝夹层结构力学性能研究的相关文献较多。而关于碳纤维增强泡沫铝夹层结构的文献较少。故本文运用有限元对碳纤维增强泡沫铝夹芯梁的三点性能进行了数值模拟研究。

本文基于ANSYS软件，对泡沫铝夹芯梁的力学性能进行了数值模拟研究。同时，提出一种新型的夹层结构－碳纤维增强泡沫铝夹芯梁。并对这种新型结构的力学性能与泡沫铝夹芯梁的力学性能进行了对比。

1 模型及材料参数

图1为泡沫铝夹芯梁的计算模型。面板厚度为t，泡沫铝芯层厚度为C，计算跨度为L，梁外伸长度为H，施加荷载的加压板宽为a，外加力为F，梁宽为b=10mm。碳纤维增强层设置在下面板与泡沫铝中间。等效厚度为n。

图1 为泡沫铝夹芯梁计算模型

面板与泡沫铝材料本构模型取为双线性随动强化材料模型。碳纤维材料的本构模型取为线弹性模型。材料的破坏通过考查材料的最大应变是否达到材料的极限应变判定。各个材料的材料参数取值如下表：

表1 材料参数表

计算中梁的几何参数如下：t=1mm，C=20mm，L=100mm，H=10mm，a=10mm，n=0.111mm。主要考查梁的力－位移曲线的变化规律。

2 单元介绍

计算单元采用ANSYS提供的高精度平面二维单元plane82与实体单元Solid46共同分析完成。PLANE82单元,它是八个节点(I、J、K、L、M、N、O、P)二维结构实体单元。PLANE82单元一般为四边形。通过定义相同节点号的K、L、O也可形成三角形单元。Plane82单元可通过实常数（Thk）定义Z方向（平面法线方向）的厚度。这样就可以实现指定梁的宽度，可用于分析夹层梁在荷载作用下的力学性能。

3 计算结果分析

图2 夹层梁模型图

图2到图5为计算结果图。

图2显示梁变形前后的对比图。由图可以看出，夹芯梁变形符合三点弯曲实际情况。跨中位置位移最大，而两端位移为零。与实体梁变形基本类似。同时也看出夹芯梁在三点弯曲作用下，芯材存在压缩的情况。

图3 梁应变图

图3的应变图非常明显显示在夹芯梁跨中位置上面板发生了明显的塑性变形，而且塑性变形的量值最大。其次，梁跨中下面部面板塑性变形较梁两端的塑性变形值大。在力作用点处发生了应力集中现象。

图4 梁有无碳纤维增强力－位移曲线图

4 显示增加碳纤维层后，泡沫铝夹芯梁跨中变形的对比图，由图可以看出，增加碳纤维能有效提高夹芯梁在集中力作用下的受弯承载力，随着作用力的增加，提高的比例越来越多。

4 结论

通过数值模拟研究了泡沫铝芯梁在集中力作用下的变形能力，同时分析了增加碳纤维前后梁的变形差异。可得出以下几点结论：

1、运用平面二维单元与实体单元可以模拟出与实际情况相类似的受弯性能。是一种经济且高效的研究泡沫铝夹芯梁的手段。

2、增加碳纤维增强层能提高泡沫铝夹芯梁在集中荷载作用下的力学性能，减小泡沫铝夹芯梁在集中荷载作用下的跨中变形值。当梁受到的集中力越大，增强效果越好。