变刚度复合材料层合板力学特性及失效机理分析

doi:10.19936/j.cnki.2096-8000.20220728.001

复合材料科学与工程 ›› 2022, Vol. 0 ›› Issue (7): 5-10.DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220728.001

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变刚度复合材料层合板力学特性及失效机理分析

李辉¹, 赵春江¹, 梁建国^2*, 曾光¹, 王蕊¹, 边强¹

1.太原科技大学机械工程学院,太原030024;
2.太原理工大学机械与运载工程学院,太原030024

收稿日期:2021-09-14 发布日期:2022-08-23
通讯作者: 梁建国(1975-),男,博士,教授,主要从事碳纤维多基体复合材料开发与应用方面的研究,liangjianguotyut@163.com。
作者简介:李辉(1995-),男,硕士研究生,主要从事碳纤维复合材料成型工艺方面的研究。
基金资助:
国家自然科学基金面上项目(52075361);山西省科技重大专项(20201102003);山西省重点研发计划项目(201903D421030)

Analysis of mechanical properties and failure mechanism of variable stiffness composite laminates

LI Hui¹, ZHAO Chun-jiang¹, LIANG Jian-guo^2*, ZENG Guang¹, WANG Rui¹, BIAN Qiang¹

1. School of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China;
2. College of Mechanical and Vehicle Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China

Received:2021-09-14 Published:2022-08-23

摘要/Abstract

摘要： 航天飞机机翼蒙皮使用过程中易出现承载力及刚度不足,且没有足够的稳定性,针对这些问题,引入自动铺丝变刚度复合材料层合板并对其力学特性及失效机理进行研究。首先,提出以周期性三角波为纤维角度变化函数,对纤维方向及参考路径进行优化;其次,建立变刚度复合材料层合板力学模型并利用代表性体积单元对其力学性能进行预测分析;然后,基于分段线性化思想,通过MATLAB/ABAQUS联合构建三维变刚度层合板有限元模型;最后,基于Tsai-Wu张量理论分析了传统层合板及优化后的变刚度层合板在拉伸、压缩工况下的损伤演化、力学特性及失效机理。研究结果表明:合理的纤维铺放路径能有效抑制因局部大变形而导致的层合板失效,使变刚度层合板应力分布更加均匀,提高机翼蒙皮的承载力、刚度及稳定性。

关键词: 复合材料, 层合板, 变刚度, 力学特性, 失效机理

Abstract: In the process of using the wing skin, the issues of insufficient bearing capacity, rigidity and stability are likely to occur. To solve these problems, the variable rigidity laminate is introduced and its mechanical properties and failure mechanism are studied. Firstly, it is proposed to use the periodic triangular wave as the fiber angle change function to optimize the fiber direction and reference path. Secondly, the mechanical model of the variable stiffness laminate is established and the representative volume element is used to predict and analyze the mechanical properties of the model. Then, based on the idea of piecewise linearization, the three-dimensional variable stiffness laminate finite element model is constructed through the MATLAB/ABAQUS. Finally, based on the Tsai-Wu tensor theory, the damage evolution, mechanical properties and failure mechanism of traditional laminates and optimized variable stiffness laminates under tension and compression conditions are analyzed. It indicates that when the reasonable fiber placement path is used for laminates, the failure of laminates caused by large local deformations can be effectively suppressed, the stress distribution of the variable stiffness laminate is more uniform, and the bearing capacity, rigidity and stability of the wing skin are improved.

Key words: composite, laminate, variable stiffness, mechanical properties, failure mechanism

中图分类号:

TB332

李辉, 赵春江, 梁建国, 曾光, 王蕊, 边强. 变刚度复合材料层合板力学特性及失效机理分析[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(7): 5-10.

LI Hui, ZHAO Chun-jiang, LIANG Jian-guo, ZENG Guang, WANG Rui, BIAN Qiang. Analysis of mechanical properties and failure mechanism of variable stiffness composite laminates[J]. COMPOSITES SCIENCE AND ENGINEERING, 2022, 0(7): 5-10.

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变刚度复合材料层合板力学特性及失效机理分析

Analysis of mechanical properties and failure mechanism of variable stiffness composite laminates

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