内压载荷下夹层复合材料圆筒开口分析

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1、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,以工业大学复合材料与结构研究所哈尔滨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,口,问题简化为压力随洞模型得出孔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,口区域分析得出孔应力集中情况结果表明口,孔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型可以被描述为一个弹性体内部有一个圆柱隧洞,前言隧洞内侧

2、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,泡沫夹层复合材料是一种典型的结构面板采性力学结论用。强度和刚度较高的层合板层合板由碳纤环氧细,一粼一产一树脂或玻璃纤维环氧树脂以不同的铺设角铺设而一声一产护】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。,氏材料应用日益增多由于结构装配或功能要求常一,口,凡一常需要在层板上打孔或开承载时这些局部区域与几,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

3、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。虽然复合二一卜卜卜卜卜材料有诸多优点,但与金属完全不同的力学性能又比二。,给分析和设计带来困难目前在金属材料方面的共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口分析补强问题研究较少,图圆筒的开更没有成型的压力隧洞模型示意图补强规范。其中本文将夹层复合材料圆筒内压问题简化为压,隧洞内半径力隧洞模型利用弹性力学方程得出面内应力解析隧洞外半径解该应力场作为近视边界条件施加在孔口远端材,内压

4、值料上用有限元分析得出孔口边缘的应外外压值力分布,为进一步开口补强设计提供理论依据。弹性模量产泊松比轴对称弹性体模型向应力压力隧洞模型即助向应力压力隧洞是指承受一定均匀内压的隧洞,该模剪切应力·©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net径向位移均向角位移圆筒分析为任意常量由下列边界条件确定,二。,,二。二与与纤维复合材料圆筒的内外蒙皮由很多单层纤二。,,一氏动一乳久维铺设而成其整体性

5、能可以看成是正交各向异性将式代。,入式应用位移单值条件得到筒壁应力的层板通过复合材料层合板理论可以得出内外应变分布。,蒙皮的整体性能这样内压圆筒可以分成层如。一一图所示应用第一节的理论可以分析出内压载荷一一久丽丁不二燕了乳。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一乳一几丽丁万厂丽了。响圆筒结构与材料属性一工﹄了、户、飞产、︸户·,‘工护、︺﹁“’,一尸‘一,取一定尺寸和铺层顺序的夹层圆筒为例其内尽一」,外蒙皮由高强玻璃纤维单向布铺设而成中间为泡一“·’‘,一,沫材料。单层高强玻

6、璃纤维的材料属性为一一,场,一,产旬其中铺层方式为内蒙皮外蒙皮,,乳一乳。全全选竺单层板厚度为一,一,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图圆筒截面尺寸图。。中区域大小将为补强块尺寸提供依据通过层合板理论得出整体性能见表对于矩形薄板,在离边界较远处有半径的小,,,表夹层结构各

7、层的几何材料参数圆孔在左右两边受均布拉力其集度为图内一凡产半外半在极坐标系下应用弹性力学基本方程加上边界条佃卿日日内蒙皮泡沫层一一外蒙皮,圆筒内压载荷分析在内压载荷下,夹层圆筒各层之间存在接触压图圆孔平板拉仲力如图,应用节的结论可以求解该压力值。件式得到孔边应力分布式。一,二。叮,,二。,二。池沫外,皮先几、,一·一一,“‘‘鲁芳警谷攀⋯·一·‘,’“⋯了、甘、口口、尸,专井警子‘,“一一今一吞,岑厂图内乐载荷下层间接触床力©1994-2010ChinaAcademicJournalElectronicPublishingH

8、ouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net设内蒙皮与泡沫层接触压力为外蒙皮与泡沫层接触压力为。将表数据代入式,再利用接触边界条件,八二马凡,二、,得到接触压力分别为二,叽图圆孔孔边应力集中解析解代回到式得到各层环向张力见图。。内蒙皮几叮泡沫层几一。