止裂條帶增強金屬薄壁結(jié)構(gòu)剩余強度研究.pdf

1、輕質(zhì)薄壁結(jié)構(gòu)和整體結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于航空航天結(jié)構(gòu)中,而此類結(jié)構(gòu)含缺陷時的剩余強度是損傷容限和結(jié)構(gòu)完整性研究的關(guān)鍵問題。因此,對輕質(zhì)薄壁結(jié)構(gòu)的損傷特性進(jìn)行評估是十分必要的。而選擇性增強是一種新興的概念,對整體結(jié)構(gòu)中可能出現(xiàn)問題的區(qū)域,在設(shè)計之初就增加止裂條帶,對結(jié)構(gòu)的起裂和裂紋擴展起到了良好的抑制作用。
　　由于止裂條帶增強金屬薄壁結(jié)構(gòu)損傷分析的復(fù)雜性,經(jīng)典的解析解法受到限制,當(dāng)前基本上依賴于有限元等數(shù)值分析方法。本文針對基板金屬結(jié)構(gòu)斷

2、裂破壞和膠接界面分層擴展的混合損傷問題,分別進(jìn)行了試驗和有限元分析研究。
　　本文主要的研究工作分為兩個部分:
　　(1)采用準(zhǔn)靜態(tài)的穩(wěn)態(tài)裂紋擴展試驗方法進(jìn)行拉伸試驗。按照ASTM-E2472標(biāo)準(zhǔn)試驗,對基板構(gòu)型分別為緊湊型C(T)和中央單裂紋M(T)試樣、止裂條帶為碳纖維復(fù)合材料單向?qū)訅喊宓闹沽言鰪娫嚇舆M(jìn)行試驗,獲得結(jié)構(gòu)的起裂載荷和剩余強度,并采用直接光測法測得裂紋尖端張開角(CTOA)和裂紋擴展長度。分析了構(gòu)型、初始裂紋

3、尺寸、是否疲勞預(yù)制初始裂紋和是否膠接止裂條帶在結(jié)構(gòu)裂紋擴展過程中對CT O A的影響,結(jié)果表明穩(wěn)態(tài)擴展一定距離后,CTOA都趨于一個恒定的值。膠接止裂條帶,對基板結(jié)構(gòu)的起裂載荷和最大剩余強度有較大程度上地提高,止裂增強作用明顯。
　　(2)基于CTOA準(zhǔn)則、平面應(yīng)變核模型和界面元方法對增強結(jié)構(gòu)的裂紋穩(wěn)態(tài)擴展和剩余強度進(jìn)行有限元分析。分析時通過ABAQ US軟件建立了止裂增強C(T)和M(T)結(jié)構(gòu)的有限元模型,對傳統(tǒng)的平面應(yīng)力模型加

4、以改進(jìn),采用平面應(yīng)變核模型,并結(jié)合CTO A斷裂準(zhǔn)則和界面元方法,分別對基板金屬結(jié)構(gòu)和膠接界面進(jìn)行損傷分析。將有限元分析結(jié)果與試驗結(jié)果進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)兩者的載荷-位移曲線、載荷-裂紋擴展增量關(guān)系曲線在趨勢上能較好地擬合,結(jié)構(gòu)起裂載荷和最大剩余強度值都能較好地吻合。結(jié)果表明:CT O A準(zhǔn)則和平面應(yīng)變核模型可以有效地預(yù)測止裂增強結(jié)構(gòu)的裂紋擴展過程和剩余強度,并適用于不同構(gòu)型結(jié)構(gòu)。
　　在已驗證有效的建模分析方法基礎(chǔ)上,對影響增強結(jié)構(gòu)剩