141_复合材料夹芯板刚强度计算分析.pdf

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1、 2006年用户年会论文年用户年会论文 复合材料夹芯板刚强度计算分析 贾华敏 陈以蔚 李树虎 王炳雷 郭建芬 中国兵器工业集团第五三研究所，250031 摘摘 要要 本文对复合材料夹芯板进行不同约束和载荷条件下的有限元分析计算，并将其计算结果与试验结果进行了对比，考核结构的刚强度，验证计算的准确性。结果表明，计算结果与试验结果符合较好，说明计算模型合理，具有一定的工程参考价值。关键词关键词 复合材料板 夹芯结构 刚强度 Computational analysis of rigidity and strength of sandwich composite plate Jia Huamin,C

2、hen Yiwei,Li Shuhu,Wang Binglei,Guo Jianfen CNGC Institute 53,250031 Abstract This paper analyzes the sandwich composite plate with different constrains and loads.Comparisons have been conducted between numerical results and experimental results,which verifies the rigidity and strength of the struct

3、ure and precision of the analysis.The results indicate that the numerical results fit the experimental results well,which show that the model of analysis is rational and the results have value for engineering application.Keyword composite plate sandwich structure rigidity and strength 1 前言 复合材料夹芯结构是

4、一种在工程应用中常见的结构，具有强度好、重量轻等优点，是许多工程应用的首选材料。但由于其发展起步较晚，并且其力学性能的复杂性，在工程应用中有很多没有解决的问题。本文对复合材料夹芯板进行模拟计算，并将其结果与试验结果相对比，验证了有限元计算的准确性。2 结构和参数 2.1 复合材料夹芯板结构 2006年用户年会论文年用户年会论文 复合材料夹芯板为2000mm600mm的矩形板,上下面板为厚2.5mm的正交铺层玻纤复合材料，中间夹芯为厚 30mm 的泡沫，边框支撑处的中间夹芯采用增强泡沫。2.2.材料模型和参数 复合材料铺层面板采用正交各向异性材料模型：EX=20GPa EY=20GPa EZ=3

5、.2GPa PRXY=0.12 PRYZ=0.12 PRXZ=0.12 GXY=3000MPa GYZ=3000MPa GXZ=3000MPa 泡沫夹芯采用线弹性材料模型：模量：32.2MPa 泊松比：0.28 增强泡沫夹芯采用线弹性材料模型：模量：900MPa 泊松比：0.28 3 有限元计算 3.1 计算模型 本次计算采用壳单元，计算模型如图 1。图中 A、B、C、D 为支撑点。2006年用户年会论文年用户年会论文 图 1 复合材料板计算模型图 3.2 工况条件 3.2.1 施加载荷 试验中在复合材料夹芯板整个面板采用堆放沙袋的方式施加载荷，计算模型中施加均布载荷。3.3 约束条件 约束条

6、件分两种：1.四点约束。试验时复合材料夹芯板两侧（A、B 区域）用夹具和螺栓固定，上面两个支撑面（C、D 区域）简支；计算时在复合材料夹芯板左支撑面（A 区域）施加 x,y,z 向约束，右支撑面（B 区域）施加 z 向约束，上面两个支撑面（C、D 区域）加 z 向约束。2.两点约束。试验时两侧约束面（A、B 区域）用夹具和螺栓固定，其余两个面不约束；计算时只在复合材料夹芯板左支撑面（A 区域）施加 x,y,z 向约束，右支撑面（B 区域）施加 z 向约束。4 计算结果及分析 实验时测量应变所贴应变片的位置如图所示：2006年用户年会论文年用户年会论文 图 2 应变片粘贴位置及编号示意图,A-D

7、 为加强块编号 4.1 四点支撑计算结果及分析 表 1 不同加载下最大位移对比(四点支撑)最大位移(mm)加载（103Kg）试验结果 计算结果 0 0 0 0.25 8 6.68 0.5 16 13.4 0.750 22 20.0 1.0 29 26.8 1.25 35 33.4 1.5 42 39.9 1.75 48 46.3 2.00 53 52.7 2.25 58 59.1 2.50 63 65.4 2.75 68 71.8 3.00 72 78.2 2006年用户年会论文年用户年会论文 表 2 不同加载、不同测点应变结果对比(四点支撑)应变（）试验结果 计算结果 加载（103Kg）2

8、点4 点2 点4 点 0 0 0 0 0 0.25 294 212 176150 0.5 562 395 351300 0.750 781 541 527450 1.0 996 687 702600 1.25 1196 816 878749 1.5 1387 943 1054900 1.75 1599 1078 12351051 2.00 1775 1189 14161202 2.25 1923 1286 15961353 2.50 2093 1393 17771504 2.75 2226 1483 19581655 3.00 2342 1565 21391806 图 3-图 5 分别是计算结

9、果与试验结果相对比的曲线图，各图中的红色方点代表试验数据，黑色圆点代表计算数据。0.00.51.01.52.02.53.0-1001020304050607080Uz (mm)loads (1000kg)0.00.51.01.52.02.53.005001000150020002500strain (10-6)loads (1000kg)图 3 四点支撑最大位移结果对比图 图 4 四点支撑 2 点应变结果对比图 2006年用户年会论文年用户年会论文 -2000200400600800100012001400160018002000图 6-图 7 是加载 2000kg 时的计算结果云图 0.00

10、.51.01.52.02.53.0stain (10-6)loads(1000kg)图 5 四点支撑 4 点应变结果对比图 图 6 四点支撑时的变形云图 图 7 四点支撑时的应变云图 2006年用户年会论文年用户年会论文 4.2 两点支撑计算结果及分析 表 3 不同加载下最大位移对比(两点支撑)最大位移(mm)加载（103Kg）试验结果 计算结果 0 0 0 0.5 25 20.6 0.75 38 31.0 1.0 49 41.3 1.25 59 51.6 1.5 68 62.5 1.75 79 72.3 2.00 88 82.1 表 4 不同加载、不同测点应变结果对比(两点支撑)应变（）试验

11、结果 计算结果 加载（103Kg）2 点4 点2 点4 点 0 0 0 0 0 0.5 797819694689 0.75 1194124110401033 1 1681162113871378 1.25 2064195417341722 1.5 2261224820432047 1.75 2668252723952395 2 2982277627462742 2006年用户年会论文年用户年会论文 图 8-图 10 是计算结果与试验结果相对比的曲线图，各图中的红色方点代表试验数据，图 11-图 12 是加载 200黑色圆点代表计算数据。0kg 时的计算结果云图 020406080100 图 9

12、 两点支撑 2 点应变结果对比图 0.00.51.01.52.0uz (mm)loads (1000kg)图 8 两点支撑最大位移结果对比图 0.00.51.01.52.0050010001500200025003000strain (10-6)loads (1000kg)0.00.51.01.52.0050010001500200025003000strain (10-6)loads (1000kg)图 10 两点支撑 4 点应变结果对比图 2006年用户年会论文年用户年会论文 图 14 两点支撑时的应变云图 图 13 两点支撑时的变形云图 5 结论 与以上计算结果看出，计算结果与试验结果吻合程度较好，说明采用有限元方法进行复合材料夹芯板的力学计算是可行的，为复合材料夹芯结构的强度分析提供了一种新途径，也为今后工作提供了一种更加方便快捷的分析方法。