碳纤维复合材料蜂窝夹层结构侧压强度理论计算.doc

碳纤维复合材料蜂窝夹层结构侧压强度理论计算第2期2001年6月纤维复合材料FjERC0tP0s口ESNo229Jun,21碳纤维复合材料蜂窝夹层结构侧压强度理论计算周祝林(上海玻璃钢研究所,200126)摘要本文对碳纤维复台材料蜂窝夹层结构侧压强度进行丁理论计算,试验值在理论计算范围内.理论计算公式可供碳纤维复台材料夹层结构产品设计时应用.关键词碳纤维复合材料,蜂窝,夹层结构,侧压强度ABSTRGITbeotetiealcalculationofedgeComxcmsiostrengthofCFRPSanduichCommotionwithhoneymisgoltertinthispaperThetestvalueisinthelYdzLgeoftheoreticalCaealationTheoreticaleaeulationformainthis2,ripermaybeusedfortheproductdesi印ofCFRPSandwichConstruction1前言某航天飞行器采用碳纤维复合材料蜂窝夹层结构,在产品结构设计时,需要侧压强度.用碳纤维复合材料作为面板,铝蜂窝芯子为夹芯,这样构成的夹层结构具有最大的弯曲刚度,广泛地应用于航空,航天结构.由于碳纤维复合材料具有较高的弹性模量,用这种材料作面板,在同样几何尺寸时,制成的夹层结构比玻璃钢夹层结构的刚度高几倍,甚至于十几倍.在同样密度情况下,铝蜂窝芯子比其他芯子具有更高的强度和模量,特别是具有较高的剪切模量.因此,碳纤维复合材料铝蜂窝夹层结构是比较理想的结构材料.用碳纤维复合材料为面板,铝蜂窝为芯子,制成夹层结构时,面板与芯子之间均采用胶膜加压成型,一般面板与芯子的胶粘强度较高,面板与芯子不会分层.在进行夹层结构平拉强度试验时,往往碳纤维铺层间拉坏;在进行夹层结构侧压试验,往往面板分层而被折破坏.可见,这类夹层结构的侧压强度是由碳纤维复合材料的层间强度控制.2无初波纹度夹层结构的侧压强度对于上述的夹层结构,同样可以把面板当作支承在弹性基础上的板(或杆),铝蜂窝芯子当作弹性基础,只是在此要计及面板的剪切变形.计及面板剪切变形的弹性基础上杆的平衡微分方程式如下:dP;_=_面两LJ式中,J是面板的弯曲刚度,s是面板的剪切刚度,P是面板中的轴向力,b是面板宽度,是面板在垂直面板方向(即z方向)的位移,是面板与弹性基础间的作用力,当面板分层时,层与层之间的作用力,近似认为与一样,当拉伸时取正号.假设面板的位移为:=sinzrx/l(2)应有与一样的形式:=一如sinzrx/l(3)式中是半波长,是渡的振幅,是基础的弹性常数.当假设芯子中间层平面无位移时.可取:B=2/h(4)若计及芯子剪切变形时,其折算弹性常数为:B=2/?(G/3)(5)把式(2),(3)代人式(1),最后可求解出计及面板剪切变形时的面板皱曲的临界应力为:lo.丝(6)0382一Ef,(E/EcG)式中为面板弹性模量,E,为蜂窝芯子的平压弹性模量和剪切模量,G是面板层间剪切模量.按式(6)计算即为碳纤维复合材料夹层结构无初波纹度时的侧压强度.3有初波纹度夹层结构的侧压强度夹层结构的面板,特别是蜂窝夹层结构的面板是有初波纹度的,理论分析侧压强度时,要计及面板纤维复台材料2001年初波纹度.用与文献1同样方法,先计算出面板分层处树脂基体中的应力,再按莫尔强度理论求出层问树脂基体破坏时的面板极限强度,即为夹层结构的侧压强度.最后可求出碳纤维复台材料夹层结构的删压极限强度为:0.86(%)L式=+I1)+等1.(等+2川(7-)z(一)一一=1c=Eo,/Ek=af/freT%=0.86(/E)(72)(7.3)(7.4)(7.5)式中是碳纤维复合材料的层间拉伸强度;d一是树脂基体的压缩强度;,为面板厚度;为面板初波纹度,为0.020.20ram;E为树脂基体弹性模量;毋为面板弹性模量;af为面板中应力;%为无波纹度时面板临界应力.按式(7.5)计算.先假定,(上接第23页)参考文献I孔庆宝玻璃钢管研究与应用纤维复台材料,1997:I2孔点宝皇千维缠绕技术研究与发展中国复台材料学会第十届年会论文集,I998.10:20303孔庄宝,高巨龙纤维缠绕技术研究的某些进展复台材料及其结构的力学,设计,应用和评价哈尔滨工业大学出版社.2C00.6:3123344哈尔滨玻璃钢研究所太口径玻璃钢管研究和应用,高压玻璃镑管研究国家七?五,科技攻关课题验收与技术鉴定台技术报告.1990年12月(由部报告谦题负责L庆宝)5喑农滨玻璃钢研究所中高压玻璃钢管研究国家科技术攻差谋题验收与技术鉴定报告,1995年12月(内部报告课题负责人孔庆宝,6孔庆宝关于玻璃钢管几十技术性能的补充论证为田湾桉电站淡水输水管线提供的论证报告.(内部报告).1999年5月7KarlsdudteCyefiemeelmaiealLm出哩RelnforeedplasticsdlurabiliHWoodheadLimited,I999:151一i858lklen,Bo】舸sryoflonglctmdurabilityofr,berreirfforcedas-tiestBrandpReinforeedplasticsdmah/Iity,woodheadpublishinglit.1999:2一2819王山根等+先进复合材料力学性能与试验拄术光明日报出版社.1997:147173】O薛元德纤维复合材料的疲劳性能,疲劳损伤和疲劳寿命预耐.按式(7)计算出第一次的d.,令cry.=听,反复迭代计算出,到接近恒值为止.4计算例子以某航天结构的不授渍树脂的铝蜂窝夹层结构为例,面板为碳纤维复合材料.根据有关试验结果,取E=120MPa,Gc=33MPa,=45GPa,=3GPa,G,=4GPa,=6MPa,=l10MPa,ff=0.75眦n,取0.021.0rrn.按式(6)的计算结果,夹层结构的侧压强度为451MPa.按式(7)的计算结果,碳纤维复合材料夹层结构的侧压强度为28382MPa.283MPa对应面板初波纹度(-为0.02rmn;82MPa对应(-为0.10mm.试验值为172MPa,在理论计算范围内,因此,计及面板初波纹度的夹层结构侧压强度的理论计算公式可以用于有关产品设计.参考文献1周祝林蜂窝夹层板的掇限强度力学.1983,1:62复古材料结柑与设计北京大学出版社,I986:93一l19II宋焕成,赵时熙聚台物基复旨材料,国防工业出版社,I986,4:43846112zw蛐,M,GddfJMegarW.Flaxaralfatigtteof%ughedPD】【啊c咖L,50thAnnLIa【onferertce.CI/SPI.2C,I995.213CWDillelFatiguea,mgthteduetionitapobvpolityinfiberglassc咖帅l.?SITds1PP152一t62,I992l4确定玻璃钢管发管件静水压力或压力设汁基准推荐实雄方法.AS丌D一29928715(美)KJ+OswaldandRI-t.hh玻璃钢管系统在油田应用中的多样性和耐久性,译文载国外玻璃铜管研究与应用纤维复台材料专刊.I986年,原文载38thCM/SP2.I983I6(美)RCR出erts玻璃钢的应力腐蚀和设计应力与使用性能的差系译文鞍纤维复台材料专刊,1988年1月P33,原文取自(GRPvesselandP岫rkl7曾竞或等复台材料理化性能.国防科技大学出版社,149234博B.J,眦kandG.R觚e.Reinfedplasticsmotarpipebreakduluinandiarigafiotlpplieation,30th,aaafivet,sa.eouoferev.CM/SP2,13一D.197519HertcyJohns,B一Reelamatictsen髓wiFlHPandreinforcJplq/csMotorpipe.3Othv口3ecferenee.SPI/CM.13一C.197520.Sprenche,.固体悬浮体的管道