论文--复合材料共胶接结构强度分析方法研究

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1、复合材料共胶接结构强度分析方法研究摘要：本文论述了复合材料加筋壁板共胶接结构的细节有限元建模方法，进行了共胶接结构强度分析。分别使用弹性模型、弹塑性模型、粘聚区模型三种方法模拟长桁和蒙皮之间的胶层。通过对比分析结果，发现采用弹性模型模拟胶层的失效分析结果偏保守。弹塑性模型和粘聚区模型，还有需要通过试验进行验证其适用性，并确定其中部分材料参数。关键词：复合材料；共胶接；长桁端头中图分类号：TB115.1文献标志码：BStrengthanalysisofthecompositeco-bondingstructuresAbstract:The

2、methodsandproceduresofestablishingthedetailedfiniteelementmodelsforthecompositeco-bondingstructuresweregiveninthispaper,andthestrengthofthecompositeco-bondingstructureswasanalyzedusingthefiniteelementmethods.Theelastic,elastic-plasticandcohesivemodelwasrespectivelyusedto

3、simulatethepropertiesoftheadhesivelayersbetweenstringersandskins.Thesimulationresultsshowthattheelasticmodelismostconservative,andexperimentsshouldbecarriedouttovalidatethemodelsandobtainthematerialparameters.Keywords:Composites;Co-bonding;stingerrun-out0引言收稿日期：2014-10-1

4、5基金项目：作者简介：陈琳（1983—），男，博士，研究方向为飞机复合材料力学，chenlin1@comac.cc;季少华（1982—），男，硕士，研究方向为飞机复合材料结构强度;徐吉峰（1964—），男，博士，研究方向为飞机复合材料力学;复合材料加筋壁板中长桁与蒙皮之间是典型的非平面胶接连接，其显著特征是能够传递面外的载荷，同时胶接面也常出现剥离破坏的现象。国内外一些学者已对这类胶接失效问题进行了广泛的研究。Kassapolou[1]基于平面应变假设，利用变分原理发展了计算长桁和蒙皮及其间胶接界面内应力分布的解析方法，用于预测长桁凸缘

5、边缘与蒙皮的脱粘。Shenoi等人[2]建立了二维有限元模型分析拉弯组合载荷下T形接头内的应力分布，采用最大应力准则评价接头的初始失效，结合试验现象在有限元模型中建立间隙单元以模拟损伤，预测接头的最终失效情况。通过对不同材料和几何参数对接头失效影响进行研究，指出T形接头连接三角区内复合材料覆盖层与填料间的分层以及填料处裂纹扩展是接头的主要破坏模式，并且倒角半径和覆盖层厚度对接头的力学性能有显著影响。Rispler等人[3]对拉伸载荷下包含不同填充材料的T形接头进行了试验和计算研究，也得到类似的结论。Blake等人[4,5]采用渐进损伤模

6、型，应用Tsai-Hill失效准则判定损伤和失效，根据积分点处的失效模式建立常因子材料退化模型，对具有黏弹性填料的T形接头和帽形接头进行了强度的预测和损伤分析。Zhao等[6]建立了复合材料胶接接头的渐进损失模型，研究了接头在拉伸载荷作用下的应力分布和失效机理，并对损失起始和最终失效进行了预测。至今国内外在此方向的研究大多采用沿长桁纵向的平面应变的假设，并仅考虑长桁和蒙皮在横截面上的脱粘失效，而对结构沿长桁纵向应力分布和失效研究则较少且不够深入。由于结构的不连续性和自由边效应，长桁截止端部的胶接界面是复合材料加筋壁板结构中最为薄弱的区域

7、之一。因此本研究对该区域沿长桁纵向进行深入分析。1有限元建模方法本研究提出的有限元建模方法基于Abaqus6.11.1.1几何模型长桁端部几何模型如图1所示，其涉及到的结构包括蒙皮、长桁（含左右L型结构、腹板插层、底面插层）、长桁内单向带填充物、长桁和蒙皮之间的胶膜。1.2网格模型1.2.1单元类型对各元件划分网格时首先需要确定其单元类型。Abaqus包含3种复合材料建模单元：传统壳单元(Conventionalshellelements)、连续壳单元(Continuumshellelements)、实体单元(Solidelements

8、)。传统壳单元建模方法简单，尤其是对非平面层合板的法向设置比较简便，但层合板的层间应力计算精度较低；连续壳单元可以用来在计算层间剪切应力，但忽略了层间正应力；实体单元无论是在面内应力、面外正应力、面外剪切应