文摘
三角网格加强了碳纤维/环氧树脂(CF / EP)是设计和制造。三明治结构是由粘合的核心和复合皮。夹层结构的力学性能进行了有限元分析(FEA)和三点弯曲方法。计算抗弯刚度和核心剪切应力比较蜂窝夹层结构的特征。结果表明,弯曲荷载下三角核心最终失败的11000 N;应力集中的本金是位于加载;和裂缝发生在界面皮肤和三角的核心。此外,三明治结构的最终压力轴承8828 N。实验结果表明,碳纤维加固三角形网格和比蜂窝结构要严格的多。
1。介绍
纤维三明治电网建设已越来越多地应用于应用程序需要高刚度/高强度重量比材料(1]。三明治结构通常由不同的核心在中间,让两个皮肤皮肤皮肤(顶部和底部)除了彼此提供三明治结构抗弯刚度和强度高在一个相对轻量级的结构(2]。
三明治结构,一般皮肤的大部分的弯曲载荷,而核心主要承担横向剪切和正常的负载。此外,三明治结构等不同的模式可能会失败的脸屈服,面对皱纹,核心收益率,缩进,和分层取决于他们的几何和材料特性3- - - - - -5]。因此,材料的选择和三明治的几何核心导致不同的失效机制。一个网格结构的几何形状优化最近分析了文学。三明治结构的核心通常由泡沫或蜂窝,和一些研究显示网格结构的效率更高的体重比泡沫(6- - - - - -9]。熊等。10]介绍了锥体桁架核心,struts的骨折是弯曲结构的弱点。侯和Gramoll11)已经开发出自动纤维缠绕过程制造三角和戈薇conical-composite-lattice结构,和三角网格的强度重量比的两倍,在戈薇网格。汉和蔡介绍了交错网格结构(12与玻璃纤维的肋骨。电网中运行的肋骨几为多向加载方向。风扇等人针对扩展一个等效连续介质方法分析三维晶格结构关注它们的有效刚度、强度和塑性屈服面。他们得出的结论是,拉伸控制点阵材料仍更硬,比弯曲为主的细胞材料(13,14]。几项研究蜂窝结构表明,刚度和强度都是由相邻细胞壁对所有加载弯曲(15,16]。在这些结构中,一些细胞面临如此薄的蜂窝结构刚度和强度很小,他们贡献(17]。两种类型的细胞关节和横关闭关闭分化的一个三角网格核心如图1。蜂窝可视为一组连接的铰接struts,并考虑铰接框架如图1(一)。对关节和struts框架崩溃在高承载能力。此外,这些特征在相邻的六角蜂窝结构恶化的结构(蜂窝结构),只有三个关闭交叉联合,而不是6个(在三角网格结构)。在图所示的三角形框架1 (b)是一种新的结构。三角的比较核心的蜂窝夹层结构是值得探索。
(一)
(b)
在前面的研究中,研究了蜂窝夹层结构根据压缩成型,粘合方法18]。结果表明,复合材料蜂窝夹层结构具有良好的动态性能。蜂窝夹层结构是一个低重量材料给定的结构要求,但存在一些局限性。在这项研究中,一个碳纤维加固三角网格的核心是设计和制造比较机械性能与CF / EP蜂窝复合夹层结构。三维有限元分析模型开发执行三明治失败,和夹层结构的力学行为是由三点弯曲测试的方法。最后,新结构的破坏机理和力学性能的核心进行了讨论。
2。实验技术
2.1。材料
在这个结构,COCA401硅橡胶模具使用。蜂窝和三角核心是准备从T700碳纤维和环氧树脂材料,和T700 /环氧树脂复合材料力学性能的表中列出1。CF /环氧波梁在蜂窝夹层结构是由压缩成型技术(波长的光束是30毫米)。在图所示的三角形的核心2(一)生产手工造型和真空袋成型方法。第一层的CF /环氧0°;第二层是60°;第三层是−60°;第四层是0°。三角的核心由100层(核心厚度15毫米)。三明治皮是压缩成型技术制造的,厚度1毫米。三明治结构由核心和皮肤粘合在一起,和三明治结构的总厚度是17毫米。大会将被放置在一个真空袋从而完成制造过程腌制80°C / 2 h + 120°C / 1 h + 150°C / h。皮和核中列出的属性表2。
2.2。静态测试在三点弯曲
标本受到三点弯曲使用万能试验机(DDL50、长春机械L.T.D)根据GB / T 1456 - 2005协议的跨度160毫米,如图3。应用负载的恒速2毫米/分钟。特定的核心剪切应力和三明治抗弯刚度计算根据(1)和(2)。
的核心的剪切应力计算使用以下方程: =核心剪应力,MPa;=负载,N;=三明治宽度,mm;=夹层厚度、mm;=面对厚度,mm;=核心剪切模量,MPa;=面临弹性模量,MPa。
三明治抗弯刚度如下: =三明治抗弯刚度,N·毫米2;在毫米=外伸臂长;=增加负载loading-deflection曲线的最初,;=跨度,mm;和=增加挠度值对应在毫米。
3所示。有限元分析
3.1。有限元建模
下面的分析集中在三明治结构。有限元分析方法被用来描述材料主方向应力分布的三明治结构。三明治是由一个CF / EP复合核心(长度:320毫米,宽度:104毫米)和两个皮的厚度1毫米,壁厚在核心也是3毫米。有限元模型如图4(一)。核心和两个皮粘在一起作为一个整体体积。皮肤和网格核心之间的完美结合。对称约束应用于底部的支持和越来越大的压力是应用于硬度计压头。3 d eight-node固体元素固体46采用网格CF / EP复合材料模型如图4 (b)。
(一)
(b)
3.2。复合材料失效准则
在这项研究中,Tsai-Hill失效标准(20.,21所示),(3),用来描述在三明治结构损伤区域。复合材料将会失败如果,,或满足以下方程: 和在纵向和横向方向同轴的压力;是同轴的平面剪切应力;是纵向拉应力;是横向的方向;和面内剪切强度。
4所示。结果与讨论
4.1。有限元分析
主方向应力的分布在整个三明治结构遭受11000 N弯曲荷载如图5失败,表示元素和应力分布。一些故障预测,三明治结构开始进入基体开裂变形阶段当一些元素的材料主方向应力达到屈服强度低于11000 N。图5(一个)显示,第一主应力(最大主应力)是102 MPa,和一些失败显然是位于加载区域从顶部皮肤在图6。第一主应力在前皮肤60.2 MPa。结果还表明,应力集中位于支持区域。顶部皮肤俗称遭受压缩应力,相比之下,底部皮肤熊在弯曲荷载过程中拉应力。硬度计压头附近的一个失败的发生趋势表明,硬度计压头使顶部的皮肤更容易顶面应力集中发达地区。
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
(c)
图7表明硬度计压头下的三角核心发生严重破坏,证明核心达到屈服强度遭受11000 N负荷。虽然没有没有元素存在于皮肤底部,主应力出现在该地区受损图8。核心剪切裂缝的数量似乎被损害皮肤。总之,顶部的失效机理皮肤脸屈服;核心剪切破坏三角网格的核心主导着破坏机理。
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
(c)
随着应力集中的发展在某种程度上,三角网格三明治结构将完全失去承载能力,最终崩溃。因此,有限元分析表明,局部坍塌失效发生的三角网格核心之间的接口和复合皮肤直接下硬度计压头。
4.2。夹层结构力学性能
图9显示了典型的载荷挠度曲线获得静态下三点弯曲的三明治结构。结构进入塑性变形阶段后,舒解不稳定的非线性损伤起始如图10 (b)。三明治结构的弱点在于皮肤之间的粘附强度和核心从图10 (b)。因此,三明治网格结构的疲软导致负载的突然下降弯曲曲线从8818 N, 6000 N,如图9。脸上的皱纹失败如图10 (b)表明脱胶碳纤维增强三明治结构的一个弱点。顶部的皮肤也在弯曲压缩。随着位移的增加,皮肤容易损伤,因为失败附着网格的核心。由于粘附强度的散射,两大不同的载荷挠度曲线出现峰值。虽然顶级皮肤失败,皮肤和底部的核心也仍然粘在一起;因此增加支持加载三明治结构包括底部的皮肤和核心。随着位移的继续,网格核心熊比以前更大的力,从而导致核心失败从图10 (c)。因此,核心剪切破坏导致另一个突然的下降峰三明治结构的承载能力。最后,最终的崩溃三明治结构仍然提供柔和的装载能力为5300 N或峰值载荷的60%。总之,这些影响显然是观察到的载荷挠度曲线和生产突然负荷损失8828 N的承载能力。
(一)
(b)
(c)
预测的负荷容量(11000 N)有限元分析(高于价值报告实验结果8828 N)至少高出24.6%的强度测量实验。皮肤和三角核心之间的完美结合的有限元模型。事实上,有纤维空洞缺陷在某些核心是因为环氧树脂分布不均匀。许多纤维空洞缺陷(在图11)在固化过程中发生在制造业和可能不利地削弱夹层结构的力学性能。
三角核心(包括三个标本)和蜂窝夹层结构应力应变曲线,前面所讨论的,如图12。三角核心的最大和最小压力是39.07和34.63 N /毫米2分别的高于蜂窝夹层结构(28.80 N /毫米2)相同大小的表中列出3。从测量数据表所示3的抗弯刚度和核心剪切应力三角形网格的核心也仍然高于蜂窝具有相同的大小。在9766.97 N三角核心3失败,这个标本是115.01克的重量。的强度重量比为84.92 N / g和大约是两倍的蜂窝夹层结构。总的来说,碳纤维加固三角网格三明治结构表现出更好的机械性能比蜂窝结构。
5。结论
3 d三角形网格三明治结构的有限元模型建立了模拟失败Tsai-Hill三明治结构的标准。根据三点弯曲试验和有限元三维模型,三明治结构的力学行为如下:(1)最大应力加载相比使用3 d模型和实验结果表明,平均损伤内变量是24.6%。有限元分析表明,面对屈服和核心剪切破坏发挥主导作用的三明治电网结构和皮肤破损和损害核心的数量表示结构破坏机理,在良好的协议与实验。(2)进行了实验测试研究蜂窝和三角网格的失败行为三明治结构提供上估计结构的承载力。各种结构的比较表明,碳纤维加固三角网格结构更硬,比传统的蜂窝结构。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
作者欣然承认的程序支持的辽宁大学(年级没有优秀的人才。LJQ2012013);这个项目是由辽宁BaiQianWan人才计划(没有。2014921048)和中国科学基金(批准号51373102)。