含孔洞復合材料結構的拉伸性能仿真

陳英函 劉甲秋 于柏峰 劉佳 郝晨偉

摘 要 本文針對含中心孔洞和含多孔復合材料結構模型，利用Fibersim進行鋪層設計并檢驗鋪層角度是否偏差，對于含中心孔洞復合材料結構采用分區域鋪覆的設計方法進行探究，發現可以達到在制造中節省材料成本的作用。將兩種結構進行仿真失效計算同時與不開孔狀態的復合材料結構進行比較，得出失效比值。

關鍵詞 Fibersim；有限元仿真；復合材料；鋪層設計

Simulation of Tensile Properties of Composite

Structures Containing Holes

CHEN Yinghan， LIU Jiaqiu， YU Baifeng， LIU Jia， HAO Chenwei

（Harbin FRP Institute Co.，Ltd.， Harbin 150028）

ABSTRACT In this paper， we use Fibersim to design the lay-up for center hole and porous composite structure model， check whether the layup angle is deviated or not， and explore the design method of lay-up by area for center pore composite structures， and find that it can achieve the role of saving the material cost in manufacturing. The two structures were subjected to simulated failure calculations while comparing them with the composite structure in the unopened state to derive the failure ratio.

KEYWORDS fibersim; finite element simulation; composite material; lay-up design

通訊作者：陳英函，碩士，助理工程師。研究方向為復合材料結構設計與仿真。E-mail：1374057740@qq.com

1 引言

航空航天領域中許多構件由碳纖維復合材料制成［1］，其中由碳纖維復合材料制成的開孔板在復雜的服役環境下會引起應力集中進而產生損傷，這類損傷會導致構件的服役壽命減退和降低承載能力［2-3］。因此，研究人員對含孔復合材料構件進行了進一步的研究［4］。碳纖維復合材料開孔對力學性能影響較大［5-6］，因此對于復合材料開孔性能的研究極為重要，Khashaba［7］等通過實驗研究發現隨著碳纖維復合材料開孔尺寸的增加，復合材料的抗壓強度和剛度都會減小。卿光輝［8］等基于增強應變理論建立了非協調廣義混合模型計算含孔復合材料層合板的應力集中系數，所得模型計算結果好，精度高并具有適用性。王振興［9］等基于復合材料S-N曲線分析對比了在開孔情況和不開孔情況下的漿葉疲勞壽命，發現開孔情況會產生更大的應力集中，從而影響槳葉的疲勞壽命。

Fibersim是一款處理復合材料鋪層復雜性問題的專業軟件［10］，能夠模擬復合材料鋪層真實角度偏差進行改進，本文利用Fibersim對含中心孔復合材料結構以及含多孔復合材料結構進行鋪層的設計及鋪層角度的查看校驗，分析了兩種結構失效的最大載荷并與不開孔狀態下的復合材料結構進行比較，得出失效比值。

2 含孔洞復合材料結構

基于Fibersim與仿真軟件可以進行數據交互的特點，選取典型的含中心孔以及多孔復合材料結構進行算例的仿真分析，材料屬性選取如表1所示。

失效準則選用Tssi-Wu應力準則，根據該準則，材料不發生破壞的條件如公式（1）所示。

F=F1σ1+F2σ2+F11σ21+F22σ22+F66τ212+2F12σ1σ2<1（1）

其中，各種強度指標按照以下各式確定，如公式（2）所示。

F1=1Xt-1Xc

F2=1Yt-1Yc

F11=1XtXc

F22=1YtYc

F66=1S2

F12=F*12XtXcYtYc

（2）

其中，F*12的值在-1到1之間，一般選取-1/2。

2.1 含中心孔復合材料結構

針對含中心孔復合材料結構示意如圖1所示，模型尺寸為300 mm×300 mm，中心含有直徑為150 mm的孔洞。

采用Fibersim對鋪貼面，邊界進行提取，并利用點位定義鋪層原點和零度方向，其信息如圖2所示。

基于該構型進行復合材料鋪層的設計，鋪層角度設置為（0/45/-45/90）5s，復合材料單層厚度為0.05 mm，總共鋪層數為40層，整體厚度2 mm。對于每一層的鋪層設計，采用纖維影響因子的值為0.3，通過對鋪層角度仿真模擬真實鋪貼時角度是否偏差，如圖3（a）～3（d）所示分別顯示為在0°，45°，-45°，90°鋪層角度下的角度信息，信息顯示該模型的實際鋪層角度與理論鋪層角度無偏差。

由于在生產制造中，按圖3所示進行預浸料準備時會先利用下料機切出整體模型再去除中心圓形孔洞，這樣造成不必要的浪費，基于此對于各個角度進行鋪層設計的優化，給出如圖4所示建立基于區域劃分的鋪層設置。

查看基于分區鋪覆下的鋪層角度是否有偏差，優化后的各鋪層角度信息如圖5所示，各個鋪層角度均無偏差。

對圖1所示的含中心孔洞復合材料結構，按圖5所示節省用料10%以上，并且隨著中心開孔直徑的增加，節省用料比率越高。同時針對此開孔結構利用表1屬性進行有限元仿真，網格劃分如圖6所示。

對模型采用下端固定約束，在上表面加載拉力作用，查看失效結果，發現當加載力的大小為22437 N時模型出現首層失效，失效時觀察不同角度失效系數結果如圖7所示，并且發現失效發生在90°鋪層的孔洞附近位置。

將開孔模型與未開孔的模型做失效結果對比，對比結果如表2所示，含中心孔復合材料結構的首層失效載荷是未開孔結構的0.347。

2.2 含多孔復合材料結構

針對含多孔復合材料結構示意如圖8所示，模型尺寸為200 mm×600 mm，含有三個直徑為100 mm的孔洞，孔間距為200 mm。

基于該構型按照如含中心復合材料結構鋪層進行設計，鋪層的零度坐標如圖9所示。

基于該構型進行復合材料鋪層的設計，鋪層角度設置為（0/45/-45/90）5s，復合材料單層厚度為0.05 mm，總共鋪層數為40層，整體厚度2 mm。對于每一層的鋪層設計，采用纖維影響因子的值為0.3，通過對鋪層角度仿真模擬真實鋪貼時角度是否偏差，如圖10（a）～10（d）所示，分別顯示為在0°，45°，-45°，90°鋪層角度下的角度信息，信息顯示該模型的實際鋪層角度與理論鋪層角度無偏差，同樣可以采用如含中心孔洞復合材料結構相似的分區域鋪層設計方法以達到在制造中節省材料的目的。

對模型采用下端固定約束，在上表面加載拉力作用，查看失效結果，發現當加載力的大小為54221N時模型出現首層失效，失效時觀察不同角度失效系數結果如圖11所示，并且發現失效發生在90°鋪層距邊線較近的孔洞邊緣位置。

將含多孔復合材料模型與未開孔的模型做失效結果對比，對比結果如表3所示，含中心孔復合材料結構的首層失效載荷是未開孔結構的0.403。

3 結語

（1）利用Fibersim針對含中心孔復合材料進行分區域的鋪層設計，節省材料在10%以上。

（2）將本文含中心孔洞復合材料和含多孔復合材料結構與未開孔結構進行對比，其失效比值分別為0.347和0.403。

（3）本文采用首層失效進行結果的判斷，只能作為單層失效的標準，不能反映結果的最終承載能力。

參 考 文 獻

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