samcef复合材料加筋板屈曲分析分步教程 非金属材料
李国弘 童明波 朱书华
摘要： 为研究筋条蒙皮界面强度对复合材料加筋平板剪切承载能力的影响，采用基于接触属性定义的粘聚区模型分析蒙皮筋条界面损伤的萌生和扩展，采用基于二维Hashin准则的渐进损伤模型计算复合材料层板失效.仿真结果与试验吻合较好，验证基于接触属性定义的粘聚区模型用于整体复合材料加筋板筋条剥离分析的工程实用性.计算结果表明：为充分发挥复合材料加筋板的承载潜力，筋条蒙皮界面应具有较高的强度.
关键词： 复合材料； 粘聚区； 筋条剥离； 加筋平板； 蒙皮； 剪切失效
中图分类号： V215.2；TB115.1文献标志码： B
Abstract： To study the effect of skinstiffener interface strength on loading capacity of stiffened composite flat panels， the initiation and propagation of skinstiffener interface damage is analyzed by the cohesive zone model which is based on contact property definition， and the failure of composite laminated panel is analyzed by the progressive damage model which is based on 2D Hashin criterion. The simulation results are in good consistent with the test results， and so the cohesive zone model which is based on contact property definition is practical to be applied in the stiffener debonding analysis of whole stiffened composite flat panels. The calculation results show that the higher strength of skinstiffener interface is required to develop the potential loading capacity of stiffened composite panels.
Key words： composite； cohesive zone； stiffener debonding； stiffened flat panel； skin； shear failure
0引言
复合材料加筋板是航空结构中的典型结构形式.目前，对复合材料加筋板的研究主要为壁板承受轴向压缩载荷，对复合材料加筋板在剪切和压剪复合载荷下的失效分析和试验相对较少.[1]剪切载荷下加筋板边界条件的处理相对复杂，试验成本较高.已有的复合材料加筋板受剪有限元研究较少考虑筋条与壁板脱粘的影响.[23]
在后屈曲过程中，筋条与蒙皮之间的界面容易发生脱粘，导致筋条从蒙皮上剥离，使得结构发生后屈曲失效.[4]复合材料层合板和胶层渐进的损伤都会导致结构强度下降.[5]粘聚区作为一个假想层，是唯象模型，可用于预测新裂纹的萌生和扩展[6]，适合用于模拟筋条蒙皮界面的损伤萌生和扩展.TURON等[7]和CAMANHO等[89]设计一种典型试件并采用粘聚区模型分析连接界面的损伤萌生和扩展问题，数值结果与试验值吻合较好.粘聚区模型可用于进行精细的脱粘模拟，然而需要创建粘聚区单元并划分较精细的网格，常常导致计算成本的增加.[10]作为接触属性定义的粘聚区模型，无须建立粘聚区单元，不增加有限元计算规模，是比粘聚区单元更简单易行的模拟粘聚性界面行为的方法.
本文采用基于接触定义的粘聚区模型，对一种复合材料整体加筋板在剪切载荷作用下的筋条剥离过程进行分析，获得良好的计算效果，并以此为基础对比研究界面强度对结构承载能力的影响.
1粘聚区模型
2计算模型
2.1算例
在试验中，将下端销轴固定，沿壁板对角线拉伸上端销轴，壁板承受剪切载荷，见图1.试件示意见图2，筋条截面示意见图3.
蒙皮和筋条铺层数据见表1，其中T1，T2和T3分别为上缘条、下缘条和立筋.铺层单层厚度为0.188 mm，预浸料为CYCOM 97723424KIMS，其力学性能见表2.在有限元模型中，筋条和蒙皮部件采用常规壳单元S4R，试验夹具和销轴部件采用六面体单元C3D8R，夹具与试验件夹持边采用绑定约束，销轴与夹具之间通过接触传递载荷.有限元模型见图4，壁板和筋条网格尺寸为10 mm×10 mm.复合材料层合板的失效计算采用基于二维Hashin准则的渐进损伤模型，包括损伤起始准则和损伤演化律，考虑纤维拉伸断裂、纤维压缩屈曲、基体在横向拉伸和剪切下的断裂、基体在横向压缩和剪切下的压溃等失效模式.[1213]
在分析筋条剥离时，筋条与蒙皮之间采用基于接触定义的粘聚区模型连接，同时定义法向和切向接触属性模拟筋条脱粘后与蒙皮间的接触.为分析筋条蒙皮界面强度对加筋板承载能力的影响，建立2个对照计算模型，分别为筋条与蒙皮绑定模型和无筋条模型.绑定约束可以模拟高强度的筋条蒙皮界面，无筋条模型用于计算完全丧失筋条支持的蒙皮的承载能力，而筋条对蒙皮的实际支持作用介于这两者之间.由于缺乏界面性能的试验结果，对粘聚区3个方向的刚度、强度和断裂韧性参数采用同样的计算参数，见表3，其中系数η见文献[14]，粘聚区参数设置方法见文献[15]～[17].
筋条蒙皮间节点接触面积可在一定程度上反映筋条剥离情况，见图7.
由图7可知筋条脱粘过程如下：
1）加载位移为1.89 mm时，筋条与蒙皮间发生初始脱粘.
2）加载位移为3.31 mm时，筋条与蒙皮脱粘对结构刚度的削弱开始有较明显的表现.
3）随着界面损伤的扩展，脱粘面积不断增大，载荷逐步从筋条向蒙皮转移，同时蒙皮中的损伤也持续演化积累.
4）加载位移为4.64 mm时，筋条与蒙皮脱粘达到较大面积，蒙皮中基体拉伸损伤积累致局部材料失效，载荷达到第一个峰值.
5）随着位移持续加载，界面损伤和蒙皮损伤共同发展，加筋板的承载能力逐步降低.
6）加载位移达到5.60 mm时，筋条几乎从蒙皮上完全剥离，此后筋条脱粘面积发展缓慢.失去筋条支持的蒙皮继续承载时，其载荷位移曲线与无筋条模型的承载曲线基本重合，载荷在位移为11.1 mm时达到第二个峰值.
脱粘模型蒙皮基体拉伸损伤包络图见图8，基体拉伸损伤包络图见图9.由图9a可知，在强界面的支持下，损伤主要沿筋条间的蒙皮扩展；由图9b可知，在筋条剥离过程中，蒙皮内损伤扩展跨越筋条.
各算例模型在加载位移为7.29 mm时的面外位移云图见图10.在图10a中，高强度界面使筋条对蒙皮起到有效支持，筋条始终能够发挥隔波作用；在图10b中，位移持续加载时筋条从蒙皮上逐渐剥离，筋条不能始终为蒙皮提供有效支持；在图10c中，由于缺乏筋条支持，蒙皮很早就发生整体屈曲.脱粘模型计算得到的极限载荷为635.8 kN，与试验结果643.0 kN符合较好，相对误差为-1.1%.各模型极限载荷的计算结果见表4.
筋条蒙皮界面强度在一定范围内时，筋条从壁板上逐步剥离而失效，界面处发生初始脱粘时的载荷可能远小于壁板的承载极限.在筋条剥离后，失去筋条支持的蒙皮仍然具有相当的承载能力；随着位移持续加载，载荷位移曲线达到第二个峰值.本文所得到的筋条剥离段极限载荷略高于后剥离段极限载荷，可以推测在筋条蒙皮界面较弱的情况下，筋条剥离段极限载荷可能小于后剥离段极限载荷，筋条将不表现出对壁板的增强作用.
3结束语
采用基于接触属性定义的粘聚区模型，对受剪复合材料整体加筋壁板的筋条剥离过程进行仿真计算，在不增加有限元计算规模的前提下，计算结果与试验吻合较好，基于接触定义的粘聚区模型可以有效应用于复合材料整体加筋板的筋条剥离分析.计算结果表明：在筋条蒙皮界面较弱或存在弱黏结等胶结缺陷的情况下，筋条剥离过程中的极限载荷可能低于蒙皮的极限承载能力.为提高复合材料整体加筋板结构的刚度和强度，充分发挥结构承载潜力，需要筋条在承载过程中能够持续发挥隔波作用，因此要求筋条蒙皮界面具有足够的强度.参考文献：
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