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复合材料盒形槽端框强度研究

王宇驰

航天科工四院四部中国北京邮编100854

摘要：盒形槽端框是采用轴向盘式连接的舱段中应用最广泛的连接框结构形式，同时先进碳纤维复合材

料结构已经被广泛应用于舱段结构设计中。本文对典型的复合材料盒形槽端框开展试验和仿真分析工

作，通过静力试验得了结构的失效模式和承载极限；在ABAQUS有限元计算中引入三维实体的渐进损伤

方法对端框结构进行分析；对比了试验与仿真结果，模拟结果的结构破坏载荷误差9%，破坏位置及失效

过程与试验吻合较好。

关键词：复合材料、盒形槽端框、静力试验、渐进损伤、有限元模拟

1前言

盒形槽端框是轴向盘式连接[1]舱段应用最广泛的典型端框结构形式，舱段之间通过端框

端面对接，再通过沿圆周分布的轴向螺栓固定。这种端框结构适用于弹径较大、外载荷较大

的舱段，具有连接可靠、对接操作简单等优点。先进碳纤维复合材料结构因其具有比强度

高、比刚度高、设计性强等诸多优点，已经被广泛应用于舱段结构设计中。复合材料自身具

有各向异性，其结构又具有多模式损伤和复杂破坏形式，因此复合材料结构的失效机理已成

为结构强度领域一项重点研究内容。目前，复合材料盒形槽端框的复杂几何形式导致其铺层

方案复杂，其结构设计主要依靠设计师的经验，而结构承载能力和工艺可靠度的验证仍然依

赖大量的试验，结构设计的成本高、周期长。研究复合材料盒形槽端框结构的失效机理和失

效分析方法，通过提高数值模拟的精度来准确预测结构的极限承载能力以及失效模式，能够

有效降低设计成本和周期。

本文对典型的复合材料盒形槽端框结构开展试验和仿真分析工作：通过静力试验得到了

了结构失效模式和承载极限；采用ABAQUS分析中通过二次开发引入基于三维实体单元的

渐进损伤对复合材料盒形槽端框结构进行了仿真分析；将试验结果与仿真结果进行对比，并

给出了结论。

2复合材料盒形槽端框静力试验研究

2.1试验件

试验件为碳纤维复合材料筒段的盒形槽端框局部，铺层方案以?0/90/?45?准各向同性

n

为主，盒形槽内部安装金属加强盒，单个盒形槽端框结构及尺寸如图1所示。

1

图1盒形槽端框结构示意

2.2加载及测量

试验件安装时受试端框端面自由，将舱体非受试端固支。在单个槽型盒端框对接点处通

过螺栓施加轴向拉力，加载方案如图2所示。

图2试验加载方案示意

本次试验布置应变测点共7处，其中1、3、4、7测点位于复材上，5、6测点位于金属

角盒上，测点位置如图3所示。测量结果中应变花01为轴向、02为斜向、03为环向。

图3端框应变测点示意

2

2.3结果分析

加载至22.5kN出现断续基体损伤的响声，加载至45.0kN前夕出现较大的复材开裂声，

盒形槽角部的轴向应变（Y401、Y701）出现下降，角部复材纤维断裂，随之金属角盒角部

应变（Y5、Y6）斜率增大，端框翻边挠度突增，随后复材端框翻边掀起，金属盒断裂，翻

边孔边外侧纤维断裂。最终结构破坏载荷为45kN。端框破坏情况见图4。

应变测量结构见图5，结构破坏时，复材盒形槽角部应变较大，两侧分别为7124με和

3127με；金属角盒角部应变较大，两侧分别为4749με和3854με。

通过以上对试验现象的分析可以得到：复合材料盒形槽端框受拉时，薄弱部位位于复材

盒形槽两拐角处，角部纤维一旦发生开裂，整个端框随即破坏，因此端框盒形槽角部失效是

判定端框结构失效的标志。

复材翻边外侧

孔边纤维断裂

盒形槽拐角

最先开裂

盒形槽拐角

最先开裂图4端框破坏情况

Y5

Y401

Y701

Y6

图5应变测量结果

3

3复合材料盒形槽端框三维渐进损伤模拟研究

3.1三维失效准则

由于复合材料失效模式复杂，研究者对复合材料层合板的失效问题进行了大量的研究，

提出了不同的失效判据：1947年，Hill将VonMises理论推广到各项异性材料中，提出了

Hill准则[2]；1968年，Tsai和Hill合作提出了Tsai-Hill准则[3]，但该准则没有考虑材料拉、

压强度的不同；同一时期，Hoffman提出了Hoffman准则[4]，该准则则考虑了材料拉、压强

度的不同，但只能预测材料是否破坏，而不能判别其破坏模式；1971年，Tsai和Wu提出了

以张量多项式表示的Tsai-Wu准则[5]，但该准则也只能预测材料是否破坏，而不能判别其破

坏模式；1980年，Hashin提出了Hashin准则[5]，该准则能识别横观各向同性材料的破坏模

式。Hashin准则是在复合材料层合板的渐进损伤分析中应用最广泛、预测准确度较高的准则

之一，其表达式如下：

1）纤维拉伸失