开口复合材料柱壳屈曲与补救有限元分析-应用力学学报.PDF

28 卷 2 期 应 用 力 学 学 报 Vol.28 No.2 20 11 年4 月 CHINESE JOURNAL OF APPLIED MECHANICS Apr. 2011 文章编号：1000- 4939(2011) 02-0 172-05 开口复合材料柱壳屈曲与补救有限元分析 李钟海 程小全 张纪奎 (北京航空航天大学航空科学与工程学院 10019 1 北京) 摘要：用有限元法对含有轴向裂纹的开口加强复合材料柱壳结构进行了补救研究；分析其压缩屈 曲强度与模态情况，得到了裂纹长度与屈曲强度的关系，并与无裂纹的结构进行了对比。结果表 明：裂纹长度在 200mm 以下时，对整个结构承载能力影响很小；当裂纹长度继续增大时，屈曲 区域 开口上方转移到裂纹附近，屈曲强度开始急剧下降。为了加强裂纹所在区域结构的承剪能 力，进行适当的修补后，可使屈曲模态与无裂纹柱壳相同，且屈曲强度稍有增加， 而证明了所 提出补救方法的有效性。 关键词：复合材料开口柱壳；压缩屈曲；穿透裂纹；补救；有限元法 中图分类号：TB33 文件标识码：A 文献[7]建立了壳理论求解各种载荷下，包含周向和 1 引 言 轴向裂纹的柱壳问题，同时也开始考虑材料的正交 异性，研究表明，增加0°~25°的铺层可以获得更高 在飞机、导弹、油气管道等结构中，柱壳体作 的屈曲强度，而增加90°铺层则会使屈曲强度减弱。 为主承力结构已被广泛应用，使用复合材料制造这 文献[2]发现：材料的正交各向异性对于轴向裂纹的影 些柱壳结构，在强度相同的情况下可以减轻重量， 响很大，而对于周向裂纹的影响较小。在有限元模拟 [1-2] 并较常规金属具有更好的耐腐蚀性 。复合材料柱 中，对于未穿透裂纹，一般以裂纹长度为长轴，裂纹 壳一般为整体结构，单件成本高，且按研制进度要 [1,2,8] 深度为短轴，通过挖除半椭圆来模拟裂纹 ；对于 求通常不允许出现较大的设计反复。因此对于存在 穿透性裂纹，通常在柱壳表面上挖细槽模拟[6-7,9-10] ， 缺陷 （如裂纹或变形）的柱壳等整体成形复合材料 [7] 并对裂纹周围的网格进行细化 。对于裂纹扩展，采 结构，需要采取补救措施恢复其功能。在飞机原型 [11-12] 用对不同裂纹长度分别计算的方法模拟 。对带裂 机、导弹等结构初始制造与装配过程中，由于工艺 纹柱壳修补后的强度研究发现，裂纹与柱壳轴线夹角 或装配等原因导致结构局部破坏或失去部分功能， [13] 越小，补强效果越好 。鉴于裂纹对柱壳承载能力的 需要对结构进行修理补救，以降低研制成本，保证 影响，文献[14-15]提出了确定柱壳损伤的方法和损伤 [3] 研制进度 。所以研究裂纹对柱壳结构的影响，并 容限设计法。国内关于含裂纹复合材料柱壳的研究工 [4-5] 制定结构补救方案显得非常重要