复合材料料整体化构件的装配破坏仿真研究.doc

复合材料整体化构件的装配破坏仿真研究 基金项目：国家自然科学基金(11272340), 国家重点基础研究发展计划项目（2010cb731503）宋孟燕1，*傅向荣1，田 歌1，陈新文2，侯日立3(1.中国农业大学土木工程系，北京100083 )(2.北京航空材料研究院，北京100095)(3.空军第一航空学院航空修理工程系, 河南 信阳464000)摘要：复合材料在固化过程中，由于材料各向异性、铺层非对称不均衡、构件布置不对称，温度改变和固化度的分布不均匀，导致不同程度的固化收缩，使复合材料结构件发生与预期形状不一样的固化变形。复合材料层合构件发生固化变形后，在装配过程中须进行校正。对固化变形的校正会增大整个构件的应力水平。特别在装配点附近的构件连接处，会产生较大的装配应力，对整体构件产生很不利的影响。本文研究固化变形校正装配的过程，并建立一套考虑固化变形校正装配破坏的分析方法。研究了复合材料固化变形的机理，并介绍了复合材料分层仿真的界面元方法。基于以上研究，在复合材料层合结构分析软件adgs中，建立了一套较完整的复合材料整体化构件的装配破坏仿真分析模型。 关键字：复合材料；固化变形；分层仿真；装配应力the study on assembly damage simulation of composite integrative component song mengyan 1 *，fu xiangrong 1，tian ge 1，chen xinwen2，hou rili 3 ( 1. department of civil engineering , china agricultural university , beijing 100083, china）（2. beijing institute of aeronautical materials , beijing 100095, china）（3. the first aviation college of air force , xinyang , 464000, china）abstract the curing deformation and stress are formed because of the anisotropic material, the imbalanced ply stacking and the asymmetric layout of the components , as the uneven distribution of and temperature and curing degree of different degrees of thermal expansion and curing shrinkage. the composite laminated component should be calibrated at the assemble points after the curing deformation process, which increased the stress level of the component especially for the joints area near the assemble point .it has a detrimental effect on the assembly process. in this paper, the affect of curing deformation process in assembly process and building a reasonable analysis method based on the curing deformation process is studied. the mechanism of curing deformation is studied and the use of the interface element in the simulation of the composite component is described .based on the theory, a relatively complete analysis method of the simulation process of composite integrative component is proposed based on the adgs software.key words composite；curing deformation； hierarchical simulation；assembly stress1 引 言 复合材料层合结构在制造过程中，需要经过预浸料到结构件的固化过程。预浸料在固化过程中，由于材料的热胀冷缩效应，树脂的化学放热和化学收缩以及复合材料的材料各向异性、铺层非对称不均衡、构件布置不对称，在室温下的形状与预期的理想形状之间会产生一定程度的不一致，通常称之为复合材料构件的固化变形1。界面元方法2采用粘聚力模型描述分层后纤维层之间的相互作用。基于实际构件中裂纹尖端的应力不是无限大而是有限值的假设，dugdal3以及barenblatt4先后提出了粘聚力模型（d-b模型）的概念。在该模型中，他们把裂纹在力学分析中根据其可能受力状态分为两个部分：一部分是裂纹表面不受任何应力作用;另外一部分是裂纹表面作用有应力，称之为粘聚力。 随着裂纹扩展、接触非线性等问题的深入研究，人们开始将该模型引入有限元计算模拟中。hillerborg5与needlemantvergaard6以及其它学者进一步发展了d-b模型，逐步形成了在计算力学软件中广泛采用的粘聚力模型。本文探讨了复合材料层合构件固化变形的主要影响因素、复合材料层合构件的温度等效荷载，以及层合板层间剪应力计算公式，并给出了复合材料分析软件adgs软件设计思路，最后通过算例验证界面元方法进行复合材料构件分层仿真分析的可靠性。2 复合材料层合构件固化变形及层间剪应力2.1复合材料层合构件固化变形主要影响因素 复合材料层合构件固化变形由以下三个因素综合作用形成： (1) 几何形状不对称:当结构存在非对称因素（铺层的不对称或几何形状的不对称）时，构件内部的残余应力形成残余弯矩和扭矩，导致结构变形。 (2) 弯折结构回弹变形：结构面内热膨胀系数远小于厚度向热膨胀系数，当结构从固化温度冷却到室温时，发生各向异性收缩。当结构的曲率非零或结构存在弯折部位时候，各向异性收缩将导致结构发生回弹变形。 （3）模具热胀系数影响：结构固化过程中所用的模具材料与复合材料的热胀系数不同。在降温过程中，构件的收缩行为不同于模具，使结构形状与设计的形状发生差异。2.2 复合材料层合板的温度等效荷载复合材料层合板的各向异性性能使其对温度的改变有着较强的敏感性，因此，对于温度改变下复合材料层合板层间应力的分析具有十分重要的意义。 层合板中，各层对应正交各向异性材料的应力应变关系为： （1） 考虑各层材料的热胀系数的各向异性，有： （2） 其中，为各铺层热胀系数向量，t为温度在固化过程中的改变值。 则，层合板中温度等效荷载计算公式为： （3） （4）其中， t为各铺层的坐标转换矩阵，当铺层角度给定后，坐标转换公式为： （5）2.3层合板构件第k层的面内应力根据一阶剪切变形理论,可得层合板中面广义应力为： （6）其中，和是由和引起的中间层的面内应变和曲率。a,b,d为层合板广义弹性矩阵，有： （7） （8） （i，j=1，2，6） （9）由层合板的广义应力应变关系式(6)，可得第k层的面内广义应变表达式也可记为： （10）其中，由（10）式可得第k层的面内广义应力为： （11）将（11）代入（10）可得： （12）2.4 层合板构件第k层交界面的横向剪应力的计算应用一阶剪切变形理论时，可采用三维平衡微分方程来计算层合板横向剪应力的分布。 （13）在式（13）中，从层合板的底面处到第k层交界面处进行积分，可得第k层板交界面处横向剪应力为： （14）3 界面元在复合材料分层仿真分析中的应用及其软件实现3.1复合材料层合构件分层仿真的界面元方法关于复合材料层合板结构分层破坏的研究一直都是复合材料研究中的重点以及热点。与普通材料不同，复合材料层合板结构的破坏是一个十分复杂的问题，它有多种破坏模式。对于不同的破坏模式，复合材料有不同的强度，因此如何知道一个实际的复合材料结构在复杂的外载荷条件下的破坏模式及强度一直是人们研究的重点。国内外的许多学者在不同的时期，采用不同的方法对这个问题都进行了研究。 利用公式(14)，可以分析层合板的层间剪应力，结合层间剪切强度，可方便的分析复合材料层合板的层间剪切破坏。但层间出现分层后，以及由于厚度方向正应力达到强度极限而发生的脱层破坏模式却需要借助其它方法。其中，界面元方法对于复合材料结构在分层所带来的介质不连续模拟中是很一个应用较广泛的方法。界面元方法用无厚度的界面元来模拟层间界面的存在，这样就克服了连续介质模型无法模拟层合板脱层现象的困难。用界面元的非线性破坏模型来模拟界面层的分层破坏过程，界面元具有如下几个优点：（1）在界面上，位移可以不连续，因此能够较好的反应界面滑移，开裂等变形特征，很直观的追踪裂纹开裂以及扩展过程，而无需在计算过程中对网格重新划分。 （2）界面元离散模型的整体作用集中于各个界面，因此主要的计算与所联结单元的类型和形状无关，方便网格的划分。（3）界面元方法能够很方便的模拟结构面，对于不同的结构面，不管有无厚度，都可用界面来表征它们的位置，然后定义一些界面元参数来描述它们的厚度和材料参数等力学性能。3.2 复合材料分层仿真分析软件adgs设计思路 “基于图形系统的分析和设计软件平台（adgs）”，是傅向荣等人自主研发的一个包含了分析复合材料固化变形、分层仿真、装配应力、装配破坏等系列功能的专业软件。基于上述固化变形理论研究，在adgs软件中，考虑到复合材料整体化构件的固化变形在装配过程中对整体构件的力学性能影响。在构件固化变形分析的基础上，实现了将固化变形的变形位移作为强迫位移反向加载的固化变形较正模块。可在实现装配中固化变形修正的基础上实现各种实际工况的构件分层仿真分析。思路如下：图1 软件设计思路4 算例4.1 复合材料层合构件的固化变形 如图2所示, 飞机构件中常用的加筋板，蒙皮长为380mm，宽度为380 mm，各个筋条高度为60mm。进行固化变形的分析，固化温度为200，考虑室温将降至20，固化变形的位移图如图3、4所示，总应力图如图5所示。 图2 加筋板原型图（蒙皮:l=380mm;w=380mm) 图3 加筋板固化变形图（最大变形2.28mm） 图4 加筋板u2方向变形图(u2最大为2.28mm) 图5 固化变形总应力图（最大应力为103.4 mpa） 由图3至图5固化变形结果图可知，温度场的变化对于构件的变形以及应力分布有很大影响的，这些效应对于构件进行整体装配会带来一定的困难，大大减少构件的使用寿命，影响整体结构的性能。4.2 复合材料层合构件装配破坏的分层仿真 如图6中所示，在筋条与蒙皮接触面定义中引入界面元粘接层，界面元破坏准则的参数分别为拉伸以及两个剪切方向的强度均为0.72616 mpa，在图6中1,2,3 三个装配点处施加2轴方向的强迫位移。在位移施加至约8 mm时，界面粘接层法向接触应力为0.7253 mpa，接近设定界面层的材料强度极限，开始出现分层破坏。如图8所示，筋条底部与蒙皮粘接层发生撕裂破坏。图9给出了分层破坏的位置。图10为3个装配点的力位移曲线图。 图6 加筋板装配破坏分层仿真模型 图7 u2方向变形图 图8 界面层滑移图 图9 层间应力图（最大应力为0.7253 mpa） 图10 装配点处的力位移曲线 注：横坐标为竖向位移值单位为mm，纵坐标为竖向内力值单位为n4.3 复合材料构件考虑固化变形校正下的装配破坏分层仿真 实际工程中，复合材料层合构件在制造过程已经产生了固化变形，在装配中须进行校正。若不考虑初始固化变形校正的影响，分析结果不能准确地反应实际构件的受力状态。以此为思路，在复合材料层合构件固化变形分析的基础上，利用固化变形分析得到的装配点的位移变形值作为须校正的位移，adgs中实现了在复合材料构件装配破坏仿真中进行固化变形的自动修正。此算例的模型参数与装配点选取与无校正下的分析相同，结果如下： 图11 u2变形图 图12 界面层法向接触力图图13 固化变形校正下装配处的力位移曲线注：横坐标为竖向位移值单位为mm，纵坐标为竖向内力值单位为n 该模型在计算过程中，进行与上节相同的装配破坏分析，不过考虑了固化变形位移的校正，力位移曲线如图13所示。与图10装配点力位移曲线相比，当位移为7mm时，界面层达到破坏设定值0.7253 mpa，发生脱层破坏。此时，装配1点发生破坏时的承载力减少了26.222n,装配2点承载力减少了37.8452n,装配点3处的承载力减少了77.0292n,表明固化变形的校正位移使整体结构的承载力变小。6 结 语（1）复合材料层合构件在固化过程中会产生整体变形和应力，这在构件进行装配过程中会产生较大的装配应力，对整体构件产生很不利的影响，影响整体结构的性能。（2）界面元在复合材料分层仿真分析中，能够较好的反应界面滑移，开裂等变形特征。（3）在相同条件下，对经固化变形位移校正和位移未校正的两个加筋板，进行装配破坏分层仿真分析。分析结果表明：校正固化变形位移构件的承载力小于未校正构件的承载力。因此，在实际工程中，固化变形位移的强迫校正，会加快整体构件的破坏。为了和工程实际相符，固化变形的校正在装配破坏分析中是必须考虑的工况。参考文献1 寇哲君，戴棣，曹正华. 复合材料结构固化变形预测j. 材料工程，2007（增刊）：225-228.2 赵东，蒋东英，赵阳，等. 复合材料界面分层破坏的j 积分研究c/北京力学会第十六届学术年会论文集. 北京：2010:268-269.3 dugdale dsyielding of steel sheets containing 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