含孔洞复合材料结构的拉伸性能仿真

陈英函 刘甲秋 于柏峰 刘佳 郝晨伟

摘 要 本文针对含中心孔洞和含多孔复合材料结构模型，利用Fibersim进行铺层设计并检验铺层角度是否偏差，对于含中心孔洞复合材料结构采用分区域铺覆的设计方法进行探究，发现可以达到在制造中节省材料成本的作用。将两种结构进行仿真失效计算同时与不开孔状态的复合材料结构进行比较，得出失效比值。

关键词 Fibersim；有限元仿真；复合材料；铺层设计

Simulation of Tensile Properties of Composite

Structures Containing Holes

CHEN Yinghan， LIU Jiaqiu， YU Baifeng， LIU Jia， HAO Chenwei

（Harbin FRP Institute Co.，Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT In this paper， we use Fibersim to design the lay-up for center hole and porous composite structure model， check whether the layup angle is deviated or not， and explore the design method of lay-up by area for center pore composite structures， and find that it can achieve the role of saving the material cost in manufacturing. The two structures were subjected to simulated failure calculations while comparing them with the composite structure in the unopened state to derive the failure ratio.

KEYWORDS fibersim; finite element simulation; composite material; lay-up design

通訊作者：陈英函，硕士，助理工程师。研究方向为复合材料结构设计与仿真。E-mail：1374057740@qq.com

1 引言

航空航天领域中许多构件由碳纤维复合材料制成［1］，其中由碳纤维复合材料制成的开孔板在复杂的服役环境下会引起应力集中进而产生损伤，这类损伤会导致构件的服役寿命减退和降低承载能力［2-3］。因此，研究人员对含孔复合材料构件进行了进一步的研究［4］。碳纤维复合材料开孔对力学性能影响较大［5-6］，因此对于复合材料开孔性能的研究极为重要，Khashaba［7］等通过实验研究发现随着碳纤维复合材料开孔尺寸的增加，复合材料的抗压强度和刚度都会减小。卿光辉［8］等基于增强应变理论建立了非协调广义混合模型计算含孔复合材料层合板的应力集中系数，所得模型计算结果好，精度高并具有适用性。王振兴［9］等基于复合材料S-N曲线分析对比了在开孔情况和不开孔情况下的浆叶疲劳寿命，发现开孔情况会产生更大的应力集中，从而影响桨叶的疲劳寿命。

Fibersim是一款处理复合材料铺层复杂性问题的专业软件［10］，能够模拟复合材料铺层真实角度偏差进行改进，本文利用Fibersim对含中心孔复合材料结构以及含多孔复合材料结构进行铺层的设计及铺层角度的查看校验，分析了两种结构失效的最大载荷并与不开孔状态下的复合材料结构进行比较，得出失效比值。

2 含孔洞复合材料结构

基于Fibersim与仿真软件可以进行数据交互的特点，选取典型的含中心孔以及多孔复合材料结构进行算例的仿真分析，材料属性选取如表1所示。

失效准则选用Tssi-Wu应力准则，根据该准则，材料不发生破坏的条件如公式（1）所示。

F=F1σ1+F2σ2+F11σ21+F22σ22+F66τ212+2F12σ1σ2<1（1）

其中，各种强度指标按照以下各式确定，如公式（2）所示。

F1=1Xt-1Xc

F2=1Yt-1Yc

F11=1XtXc

F22=1YtYc

F66=1S2

F12=F*12XtXcYtYc

（2）

其中，F*12的值在-1到1之间，一般选取-1/2。

2.1 含中心孔复合材料结构

针对含中心孔复合材料结构示意如图1所示，模型尺寸为300 mm×300 mm，中心含有直径为150 mm的孔洞。

采用Fibersim对铺贴面，边界进行提取，并利用点位定义铺层原点和零度方向，其信息如图2所示。

基于该构型进行复合材料铺层的设计，铺层角度设置为（0/45/-45/90）5s，复合材料单层厚度为0.05 mm，总共铺层数为40层，整体厚度2 mm。对于每一层的铺层设计，采用纤维影响因子的值为0.3，通过对铺层角度仿真模拟真实铺贴时角度是否偏差，如图3（a）～3（d）所示分别显示为在0°，45°，-45°，90°铺层角度下的角度信息，信息显示该模型的实际铺层角度与理论铺层角度无偏差。

由于在生产制造中，按图3所示进行预浸料准备时会先利用下料机切出整体模型再去除中心圆形孔洞，这样造成不必要的浪费，基于此对于各个角度进行铺层设计的优化，给出如图4所示建立基于区域划分的铺层设置。

查看基于分区铺覆下的铺层角度是否有偏差，优化后的各铺层角度信息如图5所示，各个铺层角度均无偏差。

对图1所示的含中心孔洞复合材料结构，按图5所示节省用料10%以上，并且随着中心开孔直径的增加，节省用料比率越高。同时针对此开孔结构利用表1属性进行有限元仿真，网格划分如图6所示。

对模型采用下端固定约束，在上表面加载拉力作用，查看失效结果，发现当加载力的大小为22437 N时模型出现首层失效，失效时观察不同角度失效系数结果如图7所示，并且发现失效发生在90°铺层的孔洞附近位置。

将开孔模型与未开孔的模型做失效结果对比，对比结果如表2所示，含中心孔复合材料结构的首层失效载荷是未开孔结构的0.347。

2.2 含多孔复合材料结构

针对含多孔复合材料结构示意如图8所示，模型尺寸为200 mm×600 mm，含有三个直径为100 mm的孔洞，孔间距为200 mm。

基于该构型按照如含中心复合材料结构铺层进行设计，铺层的零度坐标如图9所示。

基于该构型进行复合材料铺层的设计，铺层角度设置为（0/45/-45/90）5s，复合材料单层厚度为0.05 mm，总共铺层数为40层，整体厚度2 mm。对于每一层的铺层设计，采用纤维影响因子的值为0.3，通过对铺层角度仿真模拟真实铺贴时角度是否偏差，如图10（a）～10（d）所示，分别显示为在0°，45°，-45°，90°铺层角度下的角度信息，信息显示该模型的实际铺层角度与理论铺层角度无偏差，同样可以采用如含中心孔洞复合材料结构相似的分区域铺層设计方法以达到在制造中节省材料的目的。

对模型采用下端固定约束，在上表面加载拉力作用，查看失效结果，发现当加载力的大小为54221N时模型出现首层失效，失效时观察不同角度失效系数结果如图11所示，并且发现失效发生在90°铺层距边线较近的孔洞边缘位置。

将含多孔复合材料模型与未开孔的模型做失效结果对比，对比结果如表3所示，含中心孔复合材料结构的首层失效载荷是未开孔结构的0.403。

3 结语

（1）利用Fibersim针对含中心孔复合材料进行分区域的铺层设计，节省材料在10%以上。

（2）将本文含中心孔洞复合材料和含多孔复合材料结构与未开孔结构进行对比，其失效比值分别为0.347和0.403。

（3）本文采用首层失效进行结果的判断，只能作为单层失效的标准，不能反映结果的最终承载能力。

参 考 文 献

［1］蔡菊生.先进复合材料在航空航天领域的应用 ［J］. 合成材料老化与应用， 2018，47（6）： 94-97.

［2］MOURE M M， HERRERO C J， GARCíA C S K， et al. Design tool to predict the open-hole failure strength of composite laminates subjected to inplane loads ［J］. Composite Structures， 2020，238： 111970.

［3］SAYAR H， AZADI M， GHASEMI A， et al. Clustering effect on damage mechanisms in open-hole laminated carbon/epoxy composite under constant tensile loading rate， using acoustic emission ［J］. Composite Structures， 2018，204：1-11.

［4］郭峰， 王哲峰， 王共冬， 等.低温条件下含孔碳纤维复合材料层合板拉伸损伤特性研究 ［J］. 复合材料科学与工程， 2022（04） ： 56-61.

［5］姚辽军，赵美英，周银华. 不同孔径复合材料层合板应变集中及失效强度分析 ［J］. 机械科学与技术，2011，30（5）： 761-764.

［6］韩小平，郭章新，朱西平 ， 等. 含孔复合材料层合板孔边的应力集中 ［J］. 复合材料学报， 2009，26（1）：168-173.

［7］KHASHABA U A， KHDAIR A I. Open hole compressive elastic and strength analysis of CFRE composites for aerospace applications［J］. Aerospace Science and Technology，2017， 60： 96-107.

［8］卿光辉， 王绍波. 含孔复合材料层合板的应力集中分析 ［J］. 中国民航大学学报， 2019，37（05）：55-59.

［9］汪振兴，陶宪斌，杨建灵，等．直升机复合材料开孔对桨叶疲劳寿命的影响 ［J］. 中国科技信息，2020（20）： 23-25.

［10］洪清泉， 吕长， 王招. Fibersim复合材料设计与工艺技术应用 ［M］. 清华大学出版社， 2019， 1（4）： 39-42.