©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net内压载荷下夹层复合材料圆筒开口分析杨仲,张博明,孙新杨哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所,哈尔滨以摘要用理论和数值方法分析内压载荷下夹层复合材料在开口附近的应力集中将夹层复合材料圆筒内压问题简化为压力随洞模型,得出孔口所处的局部力学环境,应用该力学环境作为有限元模型边界条件施加在孔口局部区域,分析得出孔口应力集中情况结果表明孔口面内应力集中主要分布在一倍半径范围内,是产生面内损伤的原因这些细观力学特征将为进一步开口补强设计提供理论依据关键词复合材料开口补强有限元夹层结构前言泡沫夹层复合材料是一种典型的结构,面板采用强度和刚度较高的层合板。层合板由碳纤细环氧树脂或玻璃纤维环氧树脂以不同的铺设角铺设而成。类似于蜂窝夹心材料,泡沫夹层复合材料具有重量轻、省纤维、抗弯刚度高等优点,使得该结构材料应用日益增多。由于结构装配或功能要求,常常需要在层板上打孔或开口,承载时这些局部区域会引起的孔边缘应力集中孔所在的局部区域强度将会下降局部区域会产生变形不协调等不利影响。因此,在结构设计过程中考虑对开口部位进行力学分析和结构补强是必须要做的工作。虽然复合材料有诸多优点,但与金属完全不同的力学性能又给分析和设计带来困难。目前,在金属材料方面的开口分析和补强问题,国内外已经做了很多的研究。在复合材料方面,目前只有层合板等简单结构的开口补强有大量研究,而针对泡沫夹层复合材料圆筒的开口分析补强问题研究较少,更没有成型的补强规范。本文将夹层复合材料圆筒内压问题简化为压力隧洞模型,利用弹性力学方程得出面内应力解析解该应力场作为近视边界条件施加在孔口远端材料上,用有限元分析得出孔口边缘的应力分布,为进一步开口补强设计提供理论依据。型可以被描述为一个弹性体内部有一个圆柱隧洞,隧洞内侧受到均布内压,如图所示该模型在方向完全对称,建立极坐标系,利用轴对称体弹性力学结论,一粼一产一一声一产护】氏凡一,一与几,二卜卜一卜卜卜比二共图压力隧洞模型示意图轴对称弹性体模型压力隧洞模型压力隧洞是指承受一定均匀内压的隧洞,该模其中隧洞内半径隧洞外半径内压值外外压值弹性模量产泊松比向应力即助向应力剪切应力·©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net径向位移均向角位移为任意常量由下列边界条件确定与,二。,与,二。二久二。一,氏动一乳将式代入式应用位移单值条件得到筒壁应力应变分布一一久一丽丁不一二燕了乳几一丽丁万乳一厂丽了“·’‘,一,」“·’‘,一,、产︸飞户︸、尸︺﹁工护户‘、﹄了、工一一一尽一一一其中,,乳一乳一,。全全选竺圆筒分析纤维复合材料圆筒的内外蒙皮由很多单层纤维铺设而成,其整体性能可以看成是正交各向异性的层板。通过复合材料层合板理论,可以得出内外蒙皮的整体性能。这样内压圆筒可以分成层,如图所示。应用第一节的理论可以分析出内压载荷下各层的接触应力和层内环向张力。该结果可以直接施加在含孔局部区域,进一步分析孔对结构的影响。圆筒结构与材料属性取一定尺寸和铺层顺序的夹层圆筒为例,其内外蒙皮由高强玻璃纤维单向布铺设而成,中间为泡沫材料。单层高强玻璃纤维的材料属性为一,场,一,产旬铺层方式为内蒙皮外蒙皮单层板厚度为一,圆孔孔边应力集中受力的弹性体具有小孔,则孔边的应力将远大于无孔时的应力,这种现象称为孔边应力集中。孔边应力集中是局部现象,在儿倍孔径以外,应力的分布情况以及数值大小都几乎与无孔时相同。集中的程度越高,集中的现象越是局部的,应力随着距孔的距离增大而越快地趋于无孔时于勺立力。那么圆孔周围应力集中区域大小将为补强块尺寸提供依据。对于矩形薄板,在离边界较远处有半径的小圆孔,在左右两边受均布拉力,其集度为图,在极坐标系下应用弹性力学基本方程加上边界条图圆筒截面尺寸图通过层合板理论得出整体性能见表。表夹层结构各层的几何材料参数内半外半一凡产佃卿内蒙皮日日泡沫层外蒙皮一一一一一一一图圆孔平板拉仲件式得到孔边应力分布式。,二。叮,,二。,几二。,...
