在纯弯曲载荷下蜂窝夹芯板界面脱粘处开裂损伤数值研究

摘要

夹芯结构由于具有高比强度和高比模量等优良性能,已经越来越多的应用于工程领域。然而夹芯结构在制造和使用过程中将不可避免的产生脱粘损伤,导致结构强度大幅度下降,致使结构提前发生整体失稳和破坏。用同样多的材料制成各种形状,惟蜂窝状其容积最大而且刚度最好,所以近年来蜂窝夹芯结构成为应用最为广泛的一种结构材料,研究其脱粘损伤有着重要的意义和价值。
　　 本文利用有限元法,主要研究蜂窝夹芯板,在受到垂直板长度方向的两个端面上所施加的纯弯曲载荷作用下,界面脱粘区的形状和几何尺寸对脱粘扩展的影响并总结其规律,并进一步研究蜂窝夹芯板各部分参数和材料属性对脱粘临界扩展载荷的影响。为了使有限元模拟更加符合真实情况,本文模拟了有厚度的胶层,把胶层建立成一层实体单元层,利用TARGE和CONTA单元建立的接触对模拟胶层与蒙皮芯层的粘结状态,使之成为一种内聚力材料模型。胶层破坏准则采用的是内聚力材料模型所特有的破坏准则——牵引分离准则。本文得出的结论有：对于含圆形脱粘缺陷的蜂窝夹芯板,当脱粘半径大于等于13mm时,夹芯板会发生局部屈曲,其形式为跳跃屈曲。脱粘只沿板宽度方向迅速扩展；而沿板长度方向,并没有发生扩展,而是有或多或少的闭合趋势。随着圆形脱粘半径的增加,夹芯板脱粘临界扩展载荷随之降低。对于含椭圆形脱粘缺陷的蜂窝夹芯板,当椭圆缺陷的长轴平行板宽度方向时,在椭圆短长轴比很小的情况下,脱粘沿板长度、宽度方向均扩展,且脱粘沿板长度方向先扩展,随着椭圆短长轴比的增大,脱粘从沿板长度方向先扩展变为沿板宽度方向先扩展；当椭圆缺陷的长轴平行板长度方向时,在一定的短长轴比范围内,板发生跳跃屈曲,脱粘主要沿板宽度方向扩展。在短长轴比较小情况下,板容易发生高阶屈曲,而直接导致板失稳破坏。蒙皮,夹芯和胶层的材料属性都对结构强度和脱粘扩展载荷有一定影响,其中影响最大的是蒙皮的属性,其次是芯层密度,最后是胶层模量。此外,蒙皮、芯层的厚度、胶层的厚度和胶层材料的伸长率对结构强度影响非常大。