湿热环境下含损伤复合材料蜂窝板剩余强度分析

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复合材料在B787飞机结构重量中所占的比例已达到50%,国产民机C919复合材料占比约25%左右,预计正在预研下一代宽体客机或将接近B787水平。复合材料力学性能对湿热环境尤为敏感,而国内外对蜂窝夹芯材料的研究多为不考虑环境对材料影响,鲜有公开发表同时考虑湿热环境与脱粘损伤这两种损伤因素对蜂窝夹芯材料的研究。本文通过使用三明治夹芯等效理论将蜂窝芯层等效为均匀连续的实体单元,将湿热环境中的湿应力等效为热应力,建立湿热环境下的蜂窝夹芯材料本构方程,以改进Hashin准则与Besant准则作为蜂窝夹芯材料的失效判据,并通过编写VUMAT子程序实现。采用Cohesive单元模拟面板与芯层间的连接方式建立湿热环境下蜂窝夹芯板的有限元模型,研究不同湿度与温度下湿热应力对蜂窝夹芯材料弯曲性能的影响。又通过切除某些Cohesive区域模拟面板与芯层脱粘现象建立有限元模型研究脱粘损伤下脱粘位置、脱粘面积、脱粘个数及脱粘区域间相对位置对蜂窝夹芯材料弯曲剩余强度的影响。结果表明:湿热环境降低了1.6%的材料极限承载能力且随着湿热与温度的增加其极限承载能力下降;脱粘现象会加速面板与芯层分离,脱粘位置影响材料的损伤扩展性能,降低材料的弯曲强度;边缘脱粘对蜂窝夹芯材料所能承载的最大应力的削减程度比中心脱粘大且会加剧了面板与芯层间的分离现象,但中心脱粘使得材料发生了不稳定扩展现象,容易发生应力骤变现象;湿热环境下多个脱粘区域间的相对位置对于承力点分布越规律越对称对于蜂窝夹芯材料剩余强度影响更小,上面板对称区域脱粘的材料应力值下降率是31.04%,下面板对称区域脱粘时的材料最大应力值95.73%,上面板非对称区域脱粘时的材料最大应力值下降率是99.39%。
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