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目前，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)中，復(fù)合材料的應(yīng)用比例已經(jīng)成為衡量飛機(jī)先進(jìn)與否的重要標(biāo)志。波音公司推出的最新客機(jī)787，其復(fù)合材料結(jié)構(gòu)重量已占結(jié)構(gòu)總重量的50%。考慮到飛機(jī)結(jié)構(gòu)的維修性，需要在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上開(kāi)不同大小的孔，而結(jié)構(gòu)開(kāi)孔必然引起應(yīng)力集中和強(qiáng)度下降。特別對(duì)于各向異性復(fù)合材料層合板，開(kāi)孔的影響將更為嚴(yán)重及復(fù)雜。因此，對(duì)于孔邊應(yīng)力集中特性和漸進(jìn)失效特性的深入研究，成為復(fù)合材料開(kāi)孔結(jié)構(gòu)實(shí)際工程應(yīng)用的重要前提之一。
對(duì)于復(fù)合材料開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中和漸進(jìn)失效問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外大量研究者進(jìn)行了相關(guān)研究。Wu對(duì)雙軸載荷作用下，各向同性/正交各向異性開(kāi)孔板孔邊應(yīng)力集中進(jìn)行了深入研究。
Ko利用各向異性板理論，對(duì)復(fù)合材料圓形開(kāi)孔板的應(yīng)力集中進(jìn)行了研究。Lekhnitskii利用彈性力學(xué)復(fù)變函數(shù)方法，獲得了正交各向異性材料開(kāi)孔孔邊應(yīng)力分布解析表達(dá)式。Chang根據(jù)Hashin失效準(zhǔn)則，對(duì)壓縮載荷作用下，復(fù)合材料開(kāi)孔結(jié)構(gòu)漸進(jìn)失效進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。姜云鵬等對(duì)復(fù)合材料開(kāi)孔翻邊補(bǔ)強(qiáng)后，孔邊的漸進(jìn)失效特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究和有限元分析模擬。
根據(jù)經(jīng)典層合板理論，將復(fù)合材料板等效為正交各向異性板，在考慮板尺寸效應(yīng)影響下，通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值模擬，得到不同開(kāi)孔尺寸情況下，孔邊應(yīng)變集中系數(shù)變化規(guī)律。并進(jìn)一步根據(jù)Hashin失效準(zhǔn)則，利用ABAQUS場(chǎng)變量用戶子程序USDFLD對(duì)復(fù)合材料開(kāi)孔板漸進(jìn)失效特性進(jìn)行了數(shù)值模擬；同時(shí)，對(duì)不同鋪層比例、孔徑大小對(duì)于層合板強(qiáng)度的影響進(jìn)行了詳細(xì)研究。
開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的存在，必然引起應(yīng)力集中現(xiàn)象。研究表明，圓形開(kāi)孔尺寸對(duì)于有限大板孔邊應(yīng)力集中系數(shù)有顯著的影響。在實(shí)際工程中，由于開(kāi)孔板不是無(wú)限大板，因此利用彈性力學(xué)方法計(jì)算得到的孔邊應(yīng)力集中系數(shù)并不精確，必須考慮板尺寸對(duì)孔邊應(yīng)力集中的影響。為了與理論解相對(duì)比，將復(fù)合材料層合板等效為正交各向異性板，建立開(kāi)孔板有限元計(jì)算模型，進(jìn)行理論解析解與數(shù)值分析解的對(duì)比分析。
為了分析開(kāi)孔尺寸對(duì)孔邊應(yīng)力集中的影響，建立孔徑與板寬之比分別為0.05、0.1、0.15、0.2、0.3、0.4、0.5的七種開(kāi)孔尺寸有限元模型，圖給出計(jì)算所得正交各向異性板孔邊應(yīng)力集中系數(shù)有限元解和解析解對(duì)比曲線。
所建有限元模型，能夠較準(zhǔn)確的計(jì)算正交各向異性板孔邊應(yīng)力集中情況。對(duì)于中小型開(kāi)孔(2a/W≤0.4)情況，即更接近無(wú)限大開(kāi)孔板，有限元計(jì)算得到的應(yīng)力集中系數(shù)與解析解相差很小；而對(duì)于較大開(kāi)孔板(2a/W≥0.4)，有限元計(jì)算得到的應(yīng)力集中系數(shù)較解析解偏大，計(jì)算結(jié)果偏保守。
由于復(fù)合材料的層合特性，在端部均勻載荷作用下，其各鋪層的應(yīng)力隨鋪層角不同而變化，故各向異性板的應(yīng)力集中解并不能反映各層真實(shí)的受載情況，而在沒(méi)有拉彎耦合時(shí)，不同鋪層的應(yīng)變分布基本相同，故對(duì)于復(fù)合材料層合板，引入孔邊應(yīng)變集中系數(shù)將更能反映其不同鋪層真實(shí)受載情況。相關(guān)研究表明，正交各向異性板在單軸拉伸時(shí)，如果沒(méi)有發(fā)生破壞，其沿載荷方向的應(yīng)力集中系數(shù)等于應(yīng)變集中系數(shù)。為了分析各層的應(yīng)變集中情況，在有限元數(shù)值計(jì)算模型中，分別采用復(fù)合材料層合板模型和等效正交各向異性板模型，復(fù)合材料層合板模型采用Patran中常用的Laminate板；正交各向異性板采用均勻各向異性材料模擬，對(duì)比了兩種模型所得孔邊最大應(yīng)變的差異。
不同孔徑大小情況下，采用復(fù)合材料Laminate板與等效正交各向異性板計(jì)算所得孔邊最大應(yīng)變基本吻合，誤差很小，故在僅計(jì)算復(fù)合材料層合板孔邊應(yīng)變集中情況時(shí)，可采用等效正交各向異性板模型或理論計(jì)算公式求解，但當(dāng)計(jì)算各鋪層的應(yīng)力分布和進(jìn)一步計(jì)算開(kāi)孔對(duì)強(qiáng)度的影響時(shí)，必須采用Laminate板模型。
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