止裂條帶增強金屬薄壁結構剩余強度研究.pdf

1、輕質(zhì)薄壁結構和整體結構廣泛應用于航空航天結構中,而此類結構含缺陷時的剩余強度是損傷容限和結構完整性研究的關鍵問題。因此,對輕質(zhì)薄壁結構的損傷特性進行評估是十分必要的。而選擇性增強是一種新興的概念,對整體結構中可能出現(xiàn)問題的區(qū)域,在設計之初就增加止裂條帶,對結構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構損傷分析的復雜性,經(jīng)典的解析解法受到限制,當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構斷

2、裂破壞和膠接界面分層擴展的混合損傷問題,分別進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)采用準靜態(tài)的穩(wěn)態(tài)裂紋擴展試驗方法進行拉伸試驗。按照ASTM-E2472標準試驗,對基板構型分別為緊湊型C(T)和中央單裂紋M(T)試樣、止裂條帶為碳纖維復合材料單向?qū)訅喊宓闹沽言鰪娫嚇舆M行試驗,獲得結構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。分析了構型、初始裂紋

3、尺寸、是否疲勞預制初始裂紋和是否膠接止裂條帶在結構裂紋擴展過程中對CT O A的影響,結果表明穩(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,對基板結構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準則、平面應變核模型和界面元方法對增強結構的裂紋穩(wěn)態(tài)擴展和剩余強度進行有限元分析。分析時通過ABAQ US軟件建立了止裂增強C(T)和M(T)結構的有限元模型,對傳統(tǒng)的平面應力模型加

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