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復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在飛機中的應(yīng)用已經(jīng)有近40年的歷史，目前民用飛機復(fù)合材料的使用范圍從艙門等部件逐漸擴大到了主翼盒等主承力部件。隨著復(fù)合材料在飛機結(jié)構(gòu)質(zhì)量中所占比例的增大，很多的主承力件、次承力件和整流罩的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)了一些需要預(yù)埋金屬件的部位，某些軍用結(jié)構(gòu)上也出現(xiàn)了金屬預(yù)埋件。層合板中金屬預(yù)埋件埋置方式的相關(guān)研究工作國內(nèi)開展較少，由于金屬與纖維增強樹脂的材料特性差別較大，剛度的不連續(xù)勢必造成在預(yù)埋件與母體層合板的界面上出現(xiàn)較為嚴(yán)重的應(yīng)力集中現(xiàn)象。對于疲勞載荷作用下的航空結(jié)構(gòu)，應(yīng)力集中會極大地影響結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，使結(jié)構(gòu)的使用壽命下降。另外由于金屬預(yù)埋件與母體纖維增強材料的界面上是由樹脂粘接，該處的強度主要決定于基體材料性能，這將進一步限制預(yù)埋件結(jié)構(gòu)的承載能力。為了將金屬件埋入層合板，需要在鋪層前對預(yù)浸料或纖維布進行切割，這將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)中的增強纖維存在先天的不連續(xù)特征，纖維斷面若與預(yù)埋金屬件粘接不好，易在界面上造成母版本身的孔邊上產(chǎn)生分層現(xiàn)象。
為了盡量減小以上問題對含預(yù)埋件層合板結(jié)構(gòu)強度的影響，需要通過數(shù)值仿真的方法研究不同埋置方式對結(jié)構(gòu)強度分析，在結(jié)構(gòu)進入制造階段之前對結(jié)構(gòu)的承載能力進行預(yù)測，對不同埋置方式下結(jié)構(gòu)的強度進行對比，找到較佳的預(yù)埋件設(shè)計方案。1982年Mathews采用有限元分析對纖維增強樹脂結(jié)構(gòu)中的接頭強度進行了研究，1985年HartSmith分析后認(rèn)為粘接結(jié)構(gòu)的強度主要決定于搭接區(qū)域的長度和金屬件的細節(jié)設(shè)計，1986年Baker闡述了先進復(fù)合材料的若干連接問題，1988年Baker闡述了復(fù)合材料損傷維修的主要方法，Kieger闡述了飛機粘接主結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析方法，1989年CroBombe提出將整體屈曲作為粘接接頭的失效準(zhǔn)則，1993年Chalkly闡述了采用復(fù)合材料對金屬結(jié)構(gòu)進行維修的方法和理論，2002年Kradinov采用螺栓連接補片對含孔復(fù)合材料壁板進行了維修。從國內(nèi)外的相關(guān)文獻來看，對復(fù)合材料和金屬粘接問題的研究較多，但尚沒有對層合板中預(yù)埋金屬件結(jié)構(gòu)進行分析的文章。本研究采用有限元方法對含金屬預(yù)埋件碳纖維層合板在單向拉伸載荷作用下的強度進行了分析，建立了三維分析模型，給出了兩種預(yù)埋件形式下的層合板初始強度、損傷位置和模式。
根據(jù)彈性力學(xué)結(jié)論和飛機結(jié)構(gòu)中的使用情況，選擇了兩種典型的埋置方式進行了建模和分析，即含圓柱形金屬預(yù)埋件的層合板和含階梯形金屬預(yù)埋件層合板，每個單層板建為一個體元，對三維層合板結(jié)構(gòu)進行精確建模。圖所示為圓柱形預(yù)埋件層合板中心區(qū)剖視圖，圖為階梯形預(yù)埋件層合板中心區(qū)剖視圖。兩個分析模型均為正方形碳纖維增強樹脂層合板，材料為(T300/QY8911)，邊長為0.2m，中心有一個鋁合金(LY12)預(yù)埋件。層合板的鋪層順序均為(450/450/00/900/00)，每個單層的厚度為0.15mm，總厚度為1.5mm。層合板的約束條件如圖所示，左下角邊緣約束三個線自由度，左邊界約束X方向線自由度，右邊界施加均布拉應(yīng)力1.0Pa，形成單向拉伸加載狀態(tài)。將每個單層板假設(shè)為正交各向異性材料，剛度參數(shù)。
采用4節(jié)點四面體單元對兩個分析模型進行了網(wǎng)格劃分，保證每個單層板之間以及單層板和金屬預(yù)埋件界面上的位移連續(xù)性。由于單層板厚度方向尺度遠小于長度和寬度方向尺寸，因此在確定有限元網(wǎng)格尺寸時，應(yīng)以厚度方向尺寸作為參考標(biāo)準(zhǔn)，否則容易出現(xiàn)單元畸形，導(dǎo)致剛度矩陣奇異。但這會導(dǎo)致較大的結(jié)構(gòu)總自由度數(shù)，但相對于二維模型來說，從幾何和物理兩方面都極大地提高了對三維結(jié)構(gòu)進行分析計算的仿真度。圖依次給出了圓柱形預(yù)埋件層合板中心區(qū)的網(wǎng)格圖和階梯形金屬預(yù)埋件的有限元網(wǎng)格。經(jīng)典層合板理論中，復(fù)合材料單層板的強度準(zhǔn)則一般采用Hill-蔡強度理論或蔡-吳張量強度理論，這兩種強度理論適用于平面應(yīng)力狀態(tài)的單層板。復(fù)合材料層合板的損傷模式主要包括纖維斷裂、基體斷裂、纖維失穩(wěn)、分層等形式。當(dāng)某層中發(fā)生某種模式的損傷時，結(jié)構(gòu)并未完全失去承載能力，其剩余強度仍然能夠承受一定的載荷，因此前述兩種強度準(zhǔn)則是針對復(fù)合材料層合板的總體強度而言的。
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