田甜+张帆+许健
摘 要：文章对含预埋筋条胶接缺陷的复合材料加筋板进行了压缩试验，研究了不同长度胶接缺陷对复合材料加筋结构破坏形式和破坏强度的影响。并建立了含筋条胶接缺陷复合材料加筋板的非线性有限元分析模型，研究结构的后屈曲行为、脱粘扩展细节和破坏机理。有限元分析结果与试验结果吻合良好，证明了该模型及分析方法的有效性。
关键词：复合材料；加筋壁板；压缩试验；仿真
中图分类号：V214.8 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）05-0045-02
Abstract： In this paper， the compression tests of composite stiffened plates with embedded bar bonding defects are carried out， and the effects of different lengths of bonding defects on the failure form and strength of reinforced composite structures are studied. The nonlinear finite element analysis model of reinforced composite plate with reinforced strip and adhesive defect is established， and the post-buckling behavior， details of debonding propagation and failure mechanism of the structure are studied. The results of finite element analysis are in good agreement with the experimental results， which proves the validity of the model and the analytical method.
Keywords： composite material； stiffened panel； compression test； simulation
引言
碳纤维复合材料加筋壁板因具有质量轻、结构效率高等优点，在航空航天飞行器结构中得到了广泛应用。实际应用中，缺陷容易发生在筋条底缘和蒙皮的胶接界面，因此对受损伤的复合材料加筋板开展试验研究和仿真，分析损伤扩展模式对复合材料加筋板结构的损伤评估具有重要的指导作用。本文针对包含I字型筋条的复合材料加筋板开展了压缩破坏试验和仿真分析，研究分析结构在压缩载荷下的后屈曲行为、裂纹扩展模式和破坏机理。
1 研究方法
1.1 试验方法
本试验采用包含三条工字型筋条的复合材料加筋板作为试验件。制备试件时，在长桁底缘和C型筋条之间预埋一片矩形聚四氟乙烯薄膜，用来模拟长桁胶接缺陷。试验件几何参数见图1，试验装置见图2。实验过程为沿筋条方向施加位移载荷直至结构破坏。
1.2 仿真方法
在ABAQUS有限元分析软件基础上，建立含胶接缺陷的复合材料加筋板非线性有限元模型。采用虚拟裂纹闭合技术（VCCT）模拟含缺陷筋条胶接界面，采用胶层单元模拟其它无缺陷筋条胶接界面，并采用Hashin准则作为强度准则，以及B-K准则[1]作为损伤演化法则。虚拟裂纹闭合技术是在线弹性断裂力学的基础上发展起来的[2]，适用于沿预定表面扩展的复合材料脆性断裂问题[3]。其他不含胶接缺陷的界面也需要考虑脱粘损伤，因为是否考虑脱粘对有限元模拟结构破坏过程和极限承载能力有较大影响。有限元模型如图3所示。
2 试验结果与仿真分析结果对比
2.1 破坏强度对比
压缩破坏试验结果及仿真结果对比分析见表1，随着胶接缺陷尺寸增加，试件剩余强度显着降低，证明胶接缺陷对复合材料加筋结构的承载能力有显着影响。有限元模拟计算的破坏强度与试验结果吻合良好，误差在2%以内，证明该模型及分析方法合理有效。图4为根据仿真分析得到数据绘制的载荷位移曲线，A点为屈曲临界点，B点为裂纹扩展起始点，C点为结构失效点。
2.2 破坏模式对比
试验件的破坏形为中央筋条的脆性断裂和胶接界面的大面积脱粘，三种试验件的破坏照片如图5所示。
破坏机理分析：筋条胶接缺陷部位发生明显的局部子层屈曲，引起底缘的纤维压缩破坏和基体压缩破坏，接着由于腹板屈曲变形的增大，腹板与底缘的连接处发生纤维拉伸破坏和基体拉伸破坏，同时底缘的压缩破坏将迅速扩展至腹板和顶缘，导致筋条最终完全压缩破坏。有限元模拟的中央筋条破坏形式和筋条胶接界面脱粘情况如图6所示，与试验结果吻合。
3 结束语
本文对含不同尺寸胶接缺陷的复合材料加筋板进行了压缩破坏试验，证明加筋板破坏载荷随筋条胶接缺陷尺寸的增大而减小；并基于断裂力学理论建立了合理有效的有限元分析模型，研究结构在压缩载荷下的后屈曲行为、脱粘扩展细节和复合材料的破坏机理。有限元分析结果与试验结果吻合良好，证明本文提出的分析方法合理有效。
参考文献：
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