复合材料π型结构力学性能研究

　　摘 要：采用PATRAN/NASTARN对复合材料多墙盒段中的π型结构进行线性有限元分析，得到π型结构在拉伸载荷下的应力分布及应力集中部位，并对相同的π型结构进行静力试验，得到拉伸载荷下结构的薄弱区域及破坏模式，通过比较可知有限元分析及试验分析的结果具有较好的一致性。

　　关键词：复合材料 多墙结构 π型结构

　　中图分类号：TB330.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）07（b）-0024-02

　　随着复合材料在民用飞机上的应用的深入，逐渐意识到传统的以紧固件连接为主的设计/制造观念及方法在很大程度上已无法满足民机在经济性、舒适性等方面的需求。然而可以通过无需机械紧固件连接的方式（如共胶接/共固化等）将不同零件成型为一体，避免了大量的紧固件，从而达到减重以及简化使用维护的目的。某型民机复合材料水平安定面主盒段采取多墙结构形式，其中的墙结构与壁板结构通过与π型长桁共胶接的方式进行连接。目前对这种结构形式的研究主要集中在多墙结构加筋壁板的稳定性方面[1-4]，而对壁板蒙皮与墙之间的π型长桁共胶接的连接分析尚无成熟的方法，本文对π型结构连接形式进行有限元研究，并进行了相应试验，试验结果表明有限元分析与试验具有较高的一致性。

　　1 有限元分析

　　某型民机复合材料多墙结构水平安定面盒段中的π型长桁结构如图1所示，π型长桁与蒙皮共固化成型，然后与墙结构通过二次胶结成型。其中复合材料蒙皮及π型长桁材料为T700/BA9916级单向带，单层厚度为0.125 mm，墙结构为蜂窝夹层结构，厚度为5 mm，填充区为T700/BA9916级材料的0°纤维束。

　　根据π型结构的成型特点，有限元分析模型的几何尺寸分别取宽120 mm、高95 mm，π型长桁铺层为（45/90/-45）S。在模型中π型长桁采用壳元（PSHELL）模拟，蒙皮、墙结构及填充区采用实体单元（HEX8）模拟，模型中使用的T700/BA9916级材料及蜂窝芯的力学性能如表1所示。

　　根据π型结构的实际受力特点，对模型中的墙结构施加拉伸载荷，在蒙皮两侧进行固支约束，有限元模型如图2所示。

　　利用MSC/NASTRAN进行线性求解，得到π型结构的应力应变结果，如图3所示。

　　从应力应变云图中可以看出，在外载荷作用下，π型结构的应力集中部位出现在π型长桁与蒙皮之间的三角填充区处。

　　2 试验分析

　　试验件铺层以及几何尺寸与有限元分析模型相同。通过夹具固支试验件两侧蒙皮，并通过加载试验机夹头夹住试验件蜂窝墙，墙的夹持区域贴有玻璃纤维补强片，加载试验机以0.5 mm/min的加载速度对试验件连续加载直至试验件破坏。

　　π型结构试件在拉脱载荷作用下，在π形长桁填充区的圆弧外边缘最先出现分层，然后由填充区的起始损伤处向周围扩展，最终扩展到π形长桁/蒙皮之间的结合界面的临近层，并导致试验件的最终破坏，图4为2#试验件的加载过程。

　　3 结语

　　通过对π型结构进行有限元及试验分析，可以得到如下结论：

　　（1）对于拉脱载荷作用下，通过有限元及试验分析均可得到，π型结构的薄弱部位位于填充区，两种分析的结果较为一致。

　　（2）对于拉脱试验，由于胶层的强度高于复合材料的层间强度，起始损伤基本都在填充区的边缘产生，最终失效位置出现在最靠近与蒙皮胶接的胶接界面的π形连接元件的45°层、0°层及-45°层的层间，结构的承载能力最终取决于复合材料层压板的层间强度。

　　参考文献

　　[1] 中国航空研究院.复合材料结构稳定性分析指南[M].北京：航空工业出版社， 2002.

　　[2] 崔德刚.结构稳定性设计手册[M].北京：航空工业出版社，1996：203-228.

　　[3] 孙晓峰，张志民.复合材料多墙式结构非线性稳定性分析[J].复合材料学报，2001，18（3）：119-123.

　　[4] 白瑞祥，陈浩然，王蔓.含分层损伤复合材料加筋层合板的动承载能力[J].复合材料学报，2005，22（1）：139-144.