含缺陷变刚度层合板屈曲性能的数值分析方法

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28576

材料工程与机械制造

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含缺陷变刚度层合板屈曲性能的数值分析方法

黄艳¹, 王喆²^,³, 陈普会¹()

^1.南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室，南京 210016
^2.北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京 100083
^3.中国飞机强度研究所强度与结构完整性全国重点实验室，西安 710065

收稿日期:2023-02-17 修回日期:2023-03-21 接受日期:2023-04-12 出版日期:2023-12-25 发布日期:2023-04-14
通讯作者: 陈普会 E-mail:phchen@nuaa.edu.cn
基金资助:
航空科学基金(2020Z055023002)

Numerical analysis method for buckling behavior of variable stiffness laminates with defects

Yan HUANG¹, Zhe WANG²^,³, Puhui CHEN¹()

^1.State Key Laboratory of Mechanics and Control of Mechanical Structures，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China
^2.School of Aeronautic Science and Engineering，Beihang University，Beijing 100083，China
^3.National Key Laboratory of Strength and Structural Integrity，Aircraft Strength Research Institute of China，Xi’an 710065，China

Received:2023-02-17 Revised:2023-03-21 Accepted:2023-04-12 Online:2023-12-25 Published:2023-04-14
Contact: Puhui CHEN E-mail:phchen@nuaa.edu.cn
Supported by:
Aeronautical Science Foundation of China(2020Z055023002)

摘要/Abstract

摘要：

为研究间隙与重叠缺陷对变刚度层合板屈曲性能的影响，首先采用缺陷占比表征局部区域内材料含缺陷的程度，基于代表性体积单元（RVE）提出了含缺陷材料的简化模型，建立了含缺陷材料性能的计算方法。其次采用二值图像法对有限元模型中的单元进行了缺陷定位与占比识别，结合提出的性能计算方法赋予不同单元不同的材料性能。最终通过该有限元模型计算了含缺陷层合板的屈曲性能，与试验结果的对比表明本文方法得到的屈曲性能与试验结果吻合良好，预测结果的误差在7%以内，验证了本文方法的有效性。同时本文方法的预测精度受网格尺寸影响较小，能有效降低计算成本。

关键词: 变刚度层合板, 制造缺陷, 代表性体积单元（RVE）, 缺陷占比, 屈曲

Abstract:

To consider the effects of gaps and overlaps on the buckling performance of variable stiffness laminates， the defect proportion was used to characterize the degree of material defects in the local area at first. Then， a simplified model for the material with defects was proposed based on the Representative Volume Element （RVE）， and a computational method for material properties considering defects was established. After that， the binary image method was used to identify the location and percentage of defects of the elements in the finite element model. Based on the computational method proposed， different elements were given different properties. Finally， the buckling performance was calculated by the finite element model. A comparison with the experimental results shows that the buckling performance obtained with the proposed method is in good agreement with the experimental results， and the accuracy of the prediction results is within 7%. In addition， the accuracy of the method is less affected by the mesh size， so the computational expense can be effectively reduced.

Key words: variable stiffness laminate, manufacturing defect, Representative Volume Element (RVE), defect proportion, buckling

中图分类号:

V258.3

黄艳, 王喆, 陈普会. 含缺陷变刚度层合板屈曲性能的数值分析方法[J]. 航空学报, 2023, 44(24): 428576-428576.

Yan HUANG, Zhe WANG, Puhui CHEN. Numerical analysis method for buckling behavior of variable stiffness laminates with defects[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(24): 428576-428576.

图/表 20

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

表1

表2

图 11

图 12

图 13

图 14

图 15

表3

图 16

表4

参考文献 37

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	弹性模量/GPa			泊松比ν₁₂
参数	E₁	E₂	G₁₂	泊松比ν₁₂
数值	129.8	9.2	5.1	0.36
参数	热膨胀系数/10^-7 K^-1
参数	α₁		α₂
数值	-3.42		344.0

方法	不含重叠缺陷		含重叠缺陷
方法	载荷/kN	误差/%	载荷/kN	误差/%
试验值^［13］	40.92		60.49
Wu方法^［13］	37.81	-7.60	56.93	-5.89
方案1	41.25	0.81	57.00	-5.77
方案2	41.30	0.93	56.70	-6.27
方案3	41.40	1.17	56.72	-6.23

试件结构	试验载荷/kN	预测载荷/kN	误差/%
平板^{［27，36］}	97.9	101.6	3.78
开孔板1^{［27，36］}	89.6	93.1	3.91
开孔板2^［37］	19.7	20.8	5.58
开孔板3^［37］	29.1	27.1	-6.87

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含缺陷变刚度层合板屈曲性能的数值分析方法

Numerical analysis method for buckling behavior of variable stiffness laminates with defects

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