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复合材料层压板结构剪切承载能力分析

范文

王碧蓉荣海波

摘要：本文以直升机典型复合材料层压板结构为研究对象，采用蔡-胡（Tsai-Wu）失效准则，对层压板的剪切承载能力进行计算分析。同时通过试验测试得到结构的实际剪切承载能力，并将计算分析结果与试验结果进行了对比分析，验证了用蔡-胡（Tsai-Wu）失效准则计算复合材料层压板结构剪切承载能力的可行性与准确性。

关键词：典型复合材料层压板;剪切承载;蔡-胡（Tsai-Wu）失效准则

中图分类号：V215 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）12-0096-02

0 引言

在复合材料结构中，层压板是一种应用广泛的结构，由于它可制成多种结构形式，并可采用多种工艺方法成形，可设计性强，在航空航天飞行器结构中应用十分普遍[1]。当复合材料层压板受剪切载荷时，可能发生屈曲甚至因此而引起破坏，设计中应对其屈曲载荷及承载能力进行分析计算。机身上板框中的格板、纵向构件与框之间的蒙皮，翼面上的肋腹板、长桁与肋之间的蒙皮，都可作为平板来处理，尽管蒙皮具有一定的曲率，处理成平板是偏安全的[2-3]。

本文着力于通过蔡-胡（Tsai-Wu）失效准则计算复合材料层压板的剪切承载能力，并通过试验测试的方法验证用蔡-胡（Tsai-Wu）失效准则计算复合材料层压板结构剪切承载能力的可行性与准确性。

1 层压板承剪计算分析

1.1 试验件设计

试验件为复合材料层压板结构，结构尺寸为500mm×500mm的典型结构试验件，如图1所示，试验件铺层为[45/0/0/45/0/45/0/45]。

1.2 试验件承剪能力计算分析

采用壳元模拟试验件，结构四边简支约束，在结构四边施加剪流，具体如图2所示。

复合材料铺层的失效准则是利用基本强度剪力判别状态下铺层是否失效的准则，本文采用的蔡-胡（Tsai-Wu）失效准则如下：

2 层压板剪切试验

2.1 试验件及试验加载

对试验件进行剪切承载能力试验，试验采用四连杆机构夹具支持，通过四连杆机构的两对角施加载荷。四连杆机构与试验件四边用铆钉连接，确保四连杆机构连接螺栓與试验件和夹具间连接铆钉在同一条直线上，如图4所示。

2.2 试验测试结果

试验件破坏图片如图5所示，试验测试载荷与位移变化曲线如图6所示。

试验件最终沿受力方向上、下部撕裂，丧失承载能力，试验件剪切破坏载荷为76.1kN。

3 结果分析与对比

采用蔡-胡（Tsai-Wu）失效准则和试验测试得到的复合材料层压板结构破坏载荷对比如表2所示。

计算得试验件试验测试结果与蔡-胡（Tsai-Wu）失效准则计算的试验件破坏载荷相差2.5%。

4 结语

本文通过蔡-胡（Tsai-Wu）失效准则对复合材料层压板的承剪进行了计算，并进行了结构的试验验证，得到以下结论：

（1）复合材料层压板在受剪切载荷时最终沿受力方向上、下部撕裂而丧失承载能力。

（2）蔡-胡（Tsai-Wu）失效准则能够较理想的模拟结构实际破坏情况，最终得到的极限承剪能力与试验测试结果相差2.5%。

参考文献

[1] 中国航空研究院.复合材料结构设计手册[M].北京：航空工业出版社，2001.

[2] 航空航天工业部科学技术研究院.复合材料设计手册[M].北京：航空工业出版社，1990.

[3] 中国航空研究院.复合材料结构稳定性设计手册[M].北京：航空工业出版社，2002.

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