含界面脱粘蜂窝夹芯结构的屈曲和损伤扩展数值研究

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蜂窝夹芯结构是由两层高刚度、高强度的面板和中间低密度的蜂窝芯子组成的,由于它具有轻质、高比强度和高比模量等优点,被越来越多的应用于工程领域。夹芯结构在制造、运输、装配以及修理过程中会产生大量的面芯脱粘损伤。在压缩载荷作用下,由于脱粘损伤的存在,降低了夹芯结构的强度和承载能力。脱粘扩展导致结构过早地破坏,严重影响其力学性能。本文采用有限元方法研究了含面芯脱粘缺陷的蜂窝夹芯板受面内压缩载荷作用时,蜂窝板的局部屈曲行为及脱粘损伤扩展情况。建立了夹芯板的有限元模型,采用内聚力单元模拟面芯之间的胶层,不需要裂纹初始位置和生长方向的信息便可以同时预测脱粘的起始和扩展。首先依次讨论了界面属性、面板铺层顺序、面板和芯子厚度以及蜂窝尺寸对夹芯板临界屈曲载荷、剩余压缩强度以及脱粘扩展规律的影响。结果表明:面板铺层顺序及面板厚度对含面芯脱粘夹芯板剩余压缩强度有显著的影响,且脱粘损伤扩展方向也与面板铺层顺序密切相关。其次,研究了脱粘形状及尺寸对夹芯板失效形式、屈曲临界载荷以及剩余压缩强度的影响,总结了损伤扩展的规律。对于贯通型脱粘缺陷,夹芯板的压缩性能随着脱粘长度的增大而降低。对于中央圆形脱粘,当直径小于15mm时,结构发生整体屈曲,脱粘并不扩展。直径大于15mm时,发生局部屈曲,进而引发脱粘扩展直至结构失效。并且脱粘主要沿着与载荷垂直的方向扩展。临界屈曲载荷、最大承载载荷以及强度保持率随着脱粘直径的增大迅速减小。此外,考察了工程实际中容易出现的椭圆形脱粘,分析了脱粘大小及椭圆方向对结构压缩性能及脱粘扩展的影响。结果表明:当椭圆短轴长度保持不变时,随着椭圆长轴长度的增加,夹芯板的最大承载载荷下降。但是椭圆方向不同时,下降程度差别很大。对于相同尺寸的椭圆缺陷,长轴与载荷垂直的情形比长轴与载荷平行的情形,承载能力要弱。并且,椭圆的方向对脱粘扩展方向没有影响。最后,研究了不同长度时,夹芯板的失效和脱粘扩展。对夹芯板的失效形式进行了总结和对比。本文得出的结论可为蜂窝夹芯板结构的设计和修补提供一定的参考。
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