止裂条带增强金属薄壁结构剩余强度研究

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轻质薄壁结构和整体结构广泛应用于航空航天结构中,而此类结构含缺陷时的剩余强度是损伤容限和结构完整性研究的关键问题。因此,对轻质薄壁结构的损伤特性进行评估是十分必要的。而选择性增强是一种新兴的概念,对整体结构中可能出现问题的区域,在设计之初就增加止裂条带,对结构的起裂和裂纹扩展起到了良好的抑制作用。由于止裂条带增强金属薄壁结构损伤分析的复杂性,经典的解析解法受到限制,当前基本上依赖于有限元等数值分析方法。本文针对基板金属结构断裂破坏和胶接界面分层扩展的混合损伤问题,分别进行了试验和有限元分析研究。本文主要的研究工作分为两个部分:(1)采用准静态的稳态裂纹扩展试验方法进行拉伸试验。按照ASTM-E2472标准试验,对基板构型分别为紧凑型C(T)和中央单裂纹M(T)试样、止裂条带为碳纤维复合材料单向层压板的止裂增强试样进行试验,获得结构的起裂载荷和剩余强度,并采用直接光测法测得裂纹尖端张开角(CTOA)和裂纹扩展长度。分析了构型、初始裂纹尺寸、是否疲劳预制初始裂纹和是否胶接止裂条带在结构裂纹扩展过程中对CTOA的影响,结果表明稳态扩展一定距离后,CTOA都趋于一个恒定的值。胶接止裂条带,对基板结构的起裂载荷和最大剩余强度有较大程度上地提高,止裂增强作用明显。(2)基于CTOA准则、平面应变核模型和界面元方法对增强结构的裂纹稳态扩展和剩余强度进行有限元分析。分析时通过ABAQUS软件建立了止裂增强C(T)和M(T)结构的有限元模型,对传统的平面应力模型加以改进,采用平面应变核模型,并结合CTOA断裂准则和界面元方法,分别对基板金属结构和胶接界面进行损伤分析。将有限元分析结果与试验结果进行对比,发现两者的载荷-位移曲线、载荷-裂纹扩展增量关系曲线在趋势上能较好地拟合,结构起裂载荷和最大剩余强度值都能较好地吻合。结果表明:CTOA准则和平面应变核模型可以有效地预测止裂增强结构的裂纹扩展过程和剩余强度,并适用于不同构型结构。在已验证有效的建模分析方法基础上,对影响增强结构剩余强度的止裂条带细节设计参数进行有限元分析,主要细节参数包括止裂条带的宽度、长度、距离裂纹尖端位置和刚度。结果表明,止裂条带的宽度、长度和刚度对结构起裂载荷影响较小,而对最大剩余强度影响较大;止裂条带距离裂纹尖端的位置对结构起裂载荷影响较大。合理的选择止裂条带细节设计参数,可在尽量减少结构重量的情况下获得最好的止裂增强效果,对轻质薄壁结构和整体结构应用于大飞机上提供了设计分析方法。
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