大开口复合材料层合板孔边应力集中实验研究

【作者】 陈建霖； 励争； 徐吉峰； 陆孜子； 王岩； 卜宏利；

【机构】 北京大学工学院<CS,力学与工程科学系；

【摘要】 民用飞机的主结构已经开始并将继续大量使用复合材料制造。为了布置构件和管线,以及检查等原因,飞机结构上不可避免的存在一些开口,如机身上的登机口、货舱开口、舷窗开口、维修口等。复合材料机身结构上的开口,通常位于高载荷作用区。因此,复合材料机身结构开口边区域的应力集中是突出问题,但目前复合材料飞机特别是复合材料宽体客机大开口设计和补强设计还比较薄弱,大开口设计和补强设计亟待发展。由于复合材料结构的复杂性,本文将采用有限元计算和实验方法对不同开口形状、是否补强的复合材料层合板在拉伸和剪切两种不同加载方式下的孔边应力集中问题进行研究。首先,采用有限元计算软件,针对不同的开口形状、补强与否的复合材料层合板,建模进行单轴拉伸加载下的应力集中数值研究;针对没有补强的不同开口形状的复合材料层合板,建模进行面内剪切加载下的应力集中数值研究。其中,采用ABAQUS有限元软件对圆孔开口板在拉伸和剪切加载下的分析结果分别见图1和图2,并可计算应力集中系数分别为6.9和17.8,局部屈曲临界载荷分别为77k N和24.3k N。数值分析结果表明,不同开口形状、补强与否以及加载方式的不同,孔边应力集中问题区别较大。其次,对不同开口形状、补强与否的复合材料层合板在不同加载模式下进行实验测试,采用自行研制的夹具实现复合材料层合板的单向均匀拉伸和面内剪切加载;在孔边应力集中区域布置多组应变片和制造人工散斑,通过电测法和数字图像相关法测量应变值,得到孔边变形分布和应力集中系数。其中,图3为我们测试过程的实验装置,分为拉伸加载装置和剪切加载装置,图4和图5分别为圆孔开口复合材料层合板在单向拉伸加载下的应变测试结果和矩形孔开口复合材料层合板在单向加载下的DIC测试结果。实验结果与有限元计算结果比较,两者吻合较好。研究结果表明,大开口复合材料层合板孔边应力集中问题与传统的金属板孔边应力集中问题存在较大差异;不同的开口形状和加载模式对孔边应力集中影响不同,剪切模式产生较大的孔边应力集中;开口复合材料层合板孔边补强能够很好地降低孔边应力集中。该研究为航空复合材料机身大开口区的设计提供理论支持。更多还原