带圆孔复合材料层合板应力集中系数的研究.pdf

维普资讯 2003年 l2月 韶关学院学报 (自然科学版) Dec．2clD3 第24卷 第 12期 JournalofShao~amnUniversity(NaturalScience Vo1．24 No．12 带圆孑L复合材料层合板应力集中系数的研究 姚学诗 (韶关学院机电系，广东韶关512005) 摘要：利用实验和有限元方法研究了带圆孔复合材料层合板的应力集中，分析了铺层方式对孔 边应力集中的影响，对实验和有限元方法得出的结果作了比较． 关键词：应力集中；层合板；复合材料 中图分类号：TB121 文献标识码：A 文章编号：1007—5348(2003)12—45一o3 纤维增强复合材料层合板以其高于钢铁材料的比强度、比刚度、良好的抗疲劳、抗腐蚀 性能和可设计性的优势，在航空航天、交通、化工等工程领域得到日益广泛的应用．带孔复 合材料层合板由于在小孔处几何外形的急剧变化引起应力的局部增大，形成应力集中． 由于复合材料具有各向异性的特点，故孔边的应力集中必随铺层纤维方向而变化．文 中采用电测法、光弹贴片法及有限元方法分别研究了[0／90]、[±4534,、[0／90／45,一45／一 45／45／90／0]三种铺层带圆孔复合材料层合板的应力集中，利用有限元法较为系统地研究 了铺层方式对应力集中的影响．从而为构造最大强度的带圆孔复合材料层合板提供依据． 在进行光弹贴片实验过程中，成功地配制了具有反射性能的银粉粘胶，获得了清晰的 图像，提高了实验精度，也拓广了光弹贴片实验的应用范围． 1带圆孑L复合材料层合板应力集中系数的计算方法 为了与实验结果相比较，导出正交各向异性板孔边应力集中系数的解析解，在此基础 上，作出进一步分析．设 ，Y轴为材料的弹性主轴，与主轴有关的弹性常数为 、E 、 G和，在平面应力状态且应力平行于材料主轴的情况下，其弹性本构方程为： [每 ㈩ Ex Ey· 对于带孑L正交各向异性的无限大板，当承受 方向的单向拉伸载荷时，按弹性理论计 算的应力集中系数为[j： 厂— — ——————————————======= K =1+√Ex／G 一2 +2~／Ex／ ． (2) 从(2)式可见，利用正交各向异性板孔边应力集中系数的解析法计算带圆孑L复合材料 层合板的应力集中系数，忽略了三维铺层方向弹性常数的影响，故有待进一步改进． 收稿日期：2003—09—02 作者简介：姚学诗(1956一)，男，安徽无为人，韶关学院机电系副教授，博士，主要从事复合材料力学、转子动力学研究 维普资讯 · 46 · 韶关学院学报 (自然科学版) 2003年 利用有限元法进行计算可避免以上不足．在Ansys5．4平台上，建立了带圆孔复合材料 层合板的三维模型，并考虑了不同铺层方向及三维弹性常数的影响，计算了层合板在拉伸 状态下孔边的应力集中(见图1)．利用三维有限元方法，求得带圆孔复合材料(玻璃纤维环 氧)[9(1。]8层合板孔边的应力集中状态结果如图1所示． 图1带圆孔复合材料(玻璃纤维环氧)单向9【0~]层合板的应力集中 计算表明，利用正交各向异性板孔边应力集中系数的解析法求解带圆孔复合材料层合 板的应力集中系数，与以下实验方法求得的结果相比，数值偏小．利用三维有限元方法求孔 边的应力集中系数，从建模和求解过程来看，较为可信，求得的结果与实验得到的结果相 比，较为接近．以下仅用有限元法计算应力集中系数，并和实验结果作进一步比较． 2 用实验方法测定集中系数 实验用的试样材料为玻璃纤维环氧复合材料层合板，光弹性贴片材料选用聚碳酸脂