玻璃纤维泡沫夹芯板挖补修理弯曲性能试验与有限元模拟
发布时间：2021-06-06 00:50
针对玻璃纤维泡沫夹芯结构关于维修结构性能研究的缺失,本研究完成了玻纤泡沫夹芯板的维修和弯曲性能测试,并在试验基础上建立了结构有限元模型,进行了强度与刚度的试验数据验证。得到结论如下:通过试验结果,简化了有限元分析模型中的胶层设置;将泡沫芯体和玻纤面板的破坏载荷作为结构的初始与最终破坏载荷,仿真计算的破坏载荷较试验平均载荷超出18. 92%,较最大试验破坏载荷超出7. 14%;应用线性阶梯载荷步表征模型的应变趋势,在线性变形区域与试验符合较好,在受压面板,最大偏差为11. 2%,在受拉面板,最大偏差为24. 3%。表明该玻璃纤维泡沫夹芯修补结构的有限元模型分析精度较高,具有较强的工程实用性。
【文章来源】：复合材料科学与工程. 2020,(02)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
结构维修尺寸示意图
试验中，随着压头位移的增加，接触载荷也逐渐增大，当载荷达到1 k N左右时出现较大声响，然后修补板持续声响，面板出现凹陷，接触力下降，试验继续加载，面板与泡沫出现较大变形，当接触力下降到最大载荷的75%左右时，认为此修补结构已经失去承载能力，结束加载，试验中记录的压头载荷-位移曲线如图2所示。由图2可知，当压头位移在9 mm～12 mm附近的时候，接触力达到极值，由于手工维修在表面处理、补片铺设方面存在一定的工艺偏差，有两块试件的接触力极值为1.2 kN左右，三块试件的接触力极值为1 kN左右，属于正常范围。此后随着面板破损与芯体塌陷，接触力持续下降，试验停止在最大载荷的75%区间附近。
在ANSYS WORKBENCH中建立结构的有限元分析模型，由于三点弯曲试验相对中心部分对称，采用原有结构的1/2对称建模，在模型中部施加载荷，两端支撑修补结构。复合材料面采用单层实体建模，泡沫夹芯结构应用实体单元模拟，建模完成的修理结构有限元网格模型如图3所示(对称显示)，采用SOLID186六面体单元，划分网格59280个，共有257522个节点。由于试验中试件破坏部位主要以面板褶皱与芯体塌陷为主，通过面板上下表面的应变监控显示，面板与芯体之间的胶层未出现明显脱胶失效。胶层结构采用零厚度的接触分析进行模拟，在接触分析中应用了线性的bonded与非线性的CZM(内聚力)单元模型两种方式并进行了比对:CZM的优势为可以输入胶层材料参数，劣势为非线性计算需要耗费大量的运算时间。就本研究案例而言，由于胶层的剪切强度远大于泡沫芯体的失效强度，使得胶层材料参数输入的精度体现不明显，根据对比计算，采用bonded接触分析的胶层较CZM在强度数值上的差别不超过2%，运算时间节约60%，而且在单元数目增加的情况下，对于运算时间的优势更加显著。根据试验结果与仿真对比测试，本研究最终采用bonded接触分析模拟胶层，即不考虑胶层的强度失效，重点关注面板与泡沫芯体的失效强度。
【参考文献】：
期刊论文
[1]双向格构腹板增强泡沫夹层复合材料梁弯曲性能试验[J]. 陈继业,方海,庄勇,刘伟庆,钱震. 玻璃钢/复合材料. 2017(10)
[2]夹层复合材料三点弯曲试验和有限元模拟分析对比[J]. 陈同海,周正亮,张守玉,赵大娟,戚洪强. 工程塑料应用. 2017(07)
[3]纯剪切状态下泡沫夹芯壁板非穿透损伤挖补强度研究[J]. 刘峰,张春,喻辉,高鸿渐. 机械设计与制造. 2017(04)
[4]泡沫夹芯面板非穿透损伤挖补维修有限元分析[J]. 张春,刘峰,马佳,喻辉. 宇航材料工艺. 2015(05)
[5]复合材料泡沫夹层板准静态压痕实验的有限元模拟[J]. 谢宗蕻,刘海涵,田江. 材料工程. 2014(02)
[6]碳纤维/PMI泡沫夹芯复合材料的弯曲特性分析[J]. 李晓宇,王佩艳,李祚军,谯盛军. 科学技术与工程. 2013(05)
[7]全厚度缝合复合材料泡沫芯夹层结构力学性能研究与损伤容限评定[J]. 郑锡涛,孙秦,李野,柴亚南,曹正华. 复合材料学报. 2006(06)
[8]复合材料泡沫夹层结构力学性能与试验方法[J]. 孙春方,薛元德,胡培. 玻璃钢/复合材料. 2005(02)
硕士论文
[1]碳纤维复合材料泡沫铝夹芯结构弯曲性能实验研究及优化[D]. 张谦.湖南大学 2018
本文编号：3213249
【文章来源】：复合材料科学与工程. 2020,(02)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
结构维修尺寸示意图
试验中，随着压头位移的增加，接触载荷也逐渐增大，当载荷达到1 k N左右时出现较大声响，然后修补板持续声响，面板出现凹陷，接触力下降，试验继续加载，面板与泡沫出现较大变形，当接触力下降到最大载荷的75%左右时，认为此修补结构已经失去承载能力，结束加载，试验中记录的压头载荷-位移曲线如图2所示。由图2可知，当压头位移在9 mm～12 mm附近的时候，接触力达到极值，由于手工维修在表面处理、补片铺设方面存在一定的工艺偏差，有两块试件的接触力极值为1.2 kN左右，三块试件的接触力极值为1 kN左右，属于正常范围。此后随着面板破损与芯体塌陷，接触力持续下降，试验停止在最大载荷的75%区间附近。
在ANSYS WORKBENCH中建立结构的有限元分析模型，由于三点弯曲试验相对中心部分对称，采用原有结构的1/2对称建模，在模型中部施加载荷，两端支撑修补结构。复合材料面采用单层实体建模，泡沫夹芯结构应用实体单元模拟，建模完成的修理结构有限元网格模型如图3所示(对称显示)，采用SOLID186六面体单元，划分网格59280个，共有257522个节点。由于试验中试件破坏部位主要以面板褶皱与芯体塌陷为主，通过面板上下表面的应变监控显示，面板与芯体之间的胶层未出现明显脱胶失效。胶层结构采用零厚度的接触分析进行模拟，在接触分析中应用了线性的bonded与非线性的CZM(内聚力)单元模型两种方式并进行了比对:CZM的优势为可以输入胶层材料参数，劣势为非线性计算需要耗费大量的运算时间。就本研究案例而言，由于胶层的剪切强度远大于泡沫芯体的失效强度，使得胶层材料参数输入的精度体现不明显，根据对比计算，采用bonded接触分析的胶层较CZM在强度数值上的差别不超过2%，运算时间节约60%，而且在单元数目增加的情况下，对于运算时间的优势更加显著。根据试验结果与仿真对比测试，本研究最终采用bonded接触分析模拟胶层，即不考虑胶层的强度失效，重点关注面板与泡沫芯体的失效强度。
【参考文献】：
期刊论文
[1]双向格构腹板增强泡沫夹层复合材料梁弯曲性能试验[J]. 陈继业,方海,庄勇,刘伟庆,钱震. 玻璃钢/复合材料. 2017(10)
[2]夹层复合材料三点弯曲试验和有限元模拟分析对比[J]. 陈同海,周正亮,张守玉,赵大娟,戚洪强. 工程塑料应用. 2017(07)
[3]纯剪切状态下泡沫夹芯壁板非穿透损伤挖补强度研究[J]. 刘峰,张春,喻辉,高鸿渐. 机械设计与制造. 2017(04)
[4]泡沫夹芯面板非穿透损伤挖补维修有限元分析[J]. 张春,刘峰,马佳,喻辉. 宇航材料工艺. 2015(05)
[5]复合材料泡沫夹层板准静态压痕实验的有限元模拟[J]. 谢宗蕻,刘海涵,田江. 材料工程. 2014(02)
[6]碳纤维/PMI泡沫夹芯复合材料的弯曲特性分析[J]. 李晓宇,王佩艳,李祚军,谯盛军. 科学技术与工程. 2013(05)
[7]全厚度缝合复合材料泡沫芯夹层结构力学性能研究与损伤容限评定[J]. 郑锡涛,孙秦,李野,柴亚南,曹正华. 复合材料学报. 2006(06)
[8]复合材料泡沫夹层结构力学性能与试验方法[J]. 孙春方,薛元德,胡培. 玻璃钢/复合材料. 2005(02)
硕士论文
[1]碳纤维复合材料泡沫铝夹芯结构弯曲性能实验研究及优化[D]. 张谦.湖南大学 2018
本文编号：3213249
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