铝蜂窝结构弯曲损伤规律仿真分析及研究

0引言

铝蜂窝结构受正压力或侧压力时易产生分层等损伤。该类结构是如何产生损伤的,产生损伤的具体原因是什么,什么部位容易产生损伤,产生损伤时损伤是如何分布的,是开展无损检测时值得关注的主要问题^[1—3]。

为获得铝蜂窝结构试件受正压和侧压后的变形、应变、应力分布规律,减小计算的工作量,本文在对蜂窝结构试件受力分析时简化了受力模型,仅考虑单纯受正压或侧压时蜂窝结构试件的变形、应变、应力情况,获得其分布规律,并进行对比分析,总结铝蜂窝结构试件变形、应变、应力分布的共同点和不同点^[4—5]。

1铝蜂窝结构模型的建立

蜂窝结构试件仿真模型参数如表1所示,根据模型参数建立蜂窝结构模型。

无损伤铝蜂窝结构试件和有损伤结构试件分析模型、结构示意图如图1、图2所示,分别对该试件施加竖直向下的压力P和水平向左的压力P',使得该试件分别向下弯曲和向左压缩,获得变形、应变、应力变化图,得到变形、应变、应力变化规律,给出试件的损伤趋势分布特征,并通过无损伤和有损伤铝蜂窝结构试件变形、应变、应力分布规律的对比分析,获得变形、应变、应力受分层损伤影响时的变化规律和分布规律。

2铝蜂窝结构试件弯曲损伤规律

铝蜂窝悬臂梁结构试件受力简图如图3所示,将试件一端固定,另一端处于自由状态,施加竖直向下的压力P,观察铝蜂窝结构无损伤和有损伤的变形情况。

压力P分别取100、300、500、700N时,铝蜂窝结构试件的变形情况如图4、图5所示。

铝蜂窝结构试件受竖直向下的压力P时,自由端向下产生的变形最大,固定端产生的变形最小,由自由端到固定端方向,向下产生的变形逐渐变小,该结果与悬臂梁的理论计算分析相吻合。在一定的竖直向下的压力范围内,铝蜂窝结构试件的变形规律相同,无损伤的铝蜂窝试件和有损伤的铝蜂窝试件变形规律基本相同 。压力P分别取100、300、500、700 N时的最大变形曲线如图6所示,压力—变形数据如表2所示。

在一定的竖直向下的压力范围内,无损伤铝蜂窝结构试件的最大变形和有损伤铝蜂窝结构试件的最大变形均与压力P呈线性比例关系,随着压力P的增大,最大变形逐渐增大,该结果与悬臂梁最大挠度的理论计算分析相吻合。压力P分别取100、300、500、700 N时,无损伤铝蜂窝结构试件和有损伤铝蜂窝结构试件的应变、应力变化规律如图7~10所示。

无损伤铝蜂窝结构试件和有损伤铝蜂窝结构试件受竖直向下的压力P时,应变、应力主要分布于靠近固定端的增强体处,基体上的应变、应力没有明显变化,靠近固定端产生的应变、应力最大, 自由端产生的应变、应力最小,由 自由端到固定端方向,产生的应变、应力逐渐变大,且在固定端由中线面到上下表面的应变、应力逐渐增大,较大值主要集中在靠近固定端的上下表面胶层处。在一定的竖直向下的压力范围内,无损伤和有损伤的铝蜂窝结构试件应变与应力的变化规律基本相同。该结果表明,有20 mm 大小的脱粘损伤基本上不会影响铝蜂窝结构试件的应变、应力变化规律。

无损伤和有损伤的铝蜂窝结构试件应变最大值 位置基本上未发生改变;无损伤和有损伤的铝蜂窝结构试件的应力最大值位置发生了明显改变,无损伤铝蜂窝结构试件的应力最大值位于靠近固定端的下表面胶层处,有损伤铝蜂窝结构试件的应力最大值位于靠近固定端的中线面处,由此推断有20 mm大小的脱粘损伤可能会影响应力最大值的分布,进而影响因受力而产生的新的损伤的分布。铝蜂窝结构试件未发生应力奇异,该结果进一步表明铝蜂窝结构试件的受力由复合材料的基体传递给了复合材料的增强体,符合复合材料中力的传递路径。

针对悬臂梁,理论分析认为固定端属于应力集中处,应变、应力最大处位于固定端,但铝蜂窝结构试件的应变最大值、应力最大值位置发生了明显变化,推测原因是蜂窝芯以及上下表面胶层的作用改变了应变最大值、应力最大值的分布。压力P分别取100、300、500、700 N时的应变最大值、应力最大值如图11、图12所示,压力—应变数据、压力—应力数据分别如表3、表4所示。

在一定的竖直向下的压力范围内,应变、应力与压力P呈线性比例关系,随着压力P的增大,最大应变、最大应力逐渐增大。根据应力、应变计算公式与挠度计算公式,可进一步验证上述结果的正确性。该结果与悬臂梁的应变、应力理论计算分析相吻合。

图13~18展示了无损伤铝蜂窝结构试件和有损伤铝蜂窝结构试件中蜂窝芯和上表面胶的变形、应变、应力变化规律。

由图13和图14可知,无损伤铝蜂窝结构试件和有损伤铝蜂窝结构试件中蜂窝芯、上表面胶的变形规律与铝蜂窝结构试件整体变形规律相同。由图15~18可知,无损伤铝蜂窝结构试件和有损伤铝蜂窝结构试件中蜂窝芯的应变较大值、应力较大值主要分布于靠近固定端的位置,表明该处容易产生损伤。由图15~18和图7~10可知,无损伤铝蜂窝结构试件和有损伤铝蜂窝结构试件中上表面胶的应变、应力分布规律与基体的应变、应力分布规律相同。

3 结束语

本文研究了铝蜂窝结构试件在弯曲状态下的变形、应变、应力状态分布规律,给出了在弯曲状态下变形、应变、应力最大值的分布形式,找出了铝蜂窝结构试件在无损伤和有损伤弯曲状态下的损伤分布规律,分析了蜂窝芯、上表面胶在无损伤和有损伤时处于弯曲状态和侧压状态的变形、应变、应力分布规律,获得了铝蜂窝结构试件在无损伤和有损伤时弯曲状态下的变形曲线、应变曲线、应力曲线。该损伤规律可为快速定位铝蜂窝结构损伤部位并开展检测工作提供理论指导和依据,提高检测效率,以更好更快地完成无损检测工作。

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2024年第14期第6篇