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夹芯结构脱粘处开裂损伤的几何尺寸效应研究

刘伟宁  
【摘要】: 复合材料夹芯结构主要是通过粘接剂把芯材和蒙皮粘在一起,形成夹芯板。根据夹芯结构所使用的芯材种类和形式的不同,夹层板可分为:泡沫夹芯结构,蜂窝夹芯结构,梯形板夹芯结构。本文主要研究泡沫夹芯结构。复合材料夹芯结构经常会出现芯/面脱粘,在承载过程中,脱粘部分就会发生扩展,引起复合材料夹芯板的强度和刚度的降低,甚至会导致面板的破坏。随着复合材料层板在航空航天和其它工程领域的广泛应用,研究带脱层损伤的复合材料夹芯板的力学性能就变得非常重要了。目前对于夹芯结构的损伤国内外研究的内容比较多的集中在冲击损伤和脱胶缺陷损伤等方面。 本文主要研究的内容是预测含脱层缺陷的夹芯板在分别承受面内压力载荷和纯弯曲载荷的情况下的力学行为及脱层区域的扩展情况。利用有限元软件对含有脱层缺陷的夹芯板在分别承受面内压力和纯弯曲载荷的作用下的力学行为和脱层区扩展情况进行了模拟。本文重点分析研究了含不同几何尺寸缺陷的夹芯板在两种受力状态下裂纹扩展的规律。 本文首先对Solid45与Solid95两种不同单元进行了的比较,利用两种单元计算的结果同实验数据比较,得出Solid95单元更有优势;对于承受面内压力的含椭圆脱层的夹芯板,本文根据已有的结论,做了更加详细的研究。不论短轴或长轴的长度为定值时,都存在一个区间,在此区间中脱层部位首先扩展的位置发生了改变,由短轴顶点处改变至长轴顶点处,这是一个逐渐的变化,并没有出现很大的激变;随着长短轴长度的不同,这个区间也在变化。本文重点研究了纯弯曲状态下的含圆形脱粘缺陷的夹芯板的力学行为,对于脱层区直径不同,夹芯、蒙皮和胶层属性的不同对脱层扩展的影响进行了细致的分析。当脱层区直径小于40mm,脱层区并未开始扩展,结构已经破坏,随着脱层区直径的逐渐增大,夹芯板的脱层临界扩展载荷在逐渐减小,脱层区的直径越大,则夹芯板的脱层临界扩展载荷越小,夹芯板就会越容易被破坏;同时分析得出了蒙皮和夹芯的弹性模量之比与脱层临界扩展载荷成反比;比较胶层强度的大小对脱层临界扩展载荷的影响,发现胶层强度对夹芯板脱粘开裂的影响不大。 本文在整个研究过程中总结出了一些结论,也提出了一些建议,为以后更加深入的研究工作提供一定的依据。


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