复合材料结构力学涉猎(上)

1 绪论

复合材料结构分析是对由复合材料构成的具体构件,以基本力学性能为基础,考虑构件所处的边界条件,计算其应力与应变的分布规律。这些内容被称为复合材料结构力学。这些基本件包括杆、梁、板、壳等结构元件。

涉及的知识:材料力学、弹性力学、单层复合材料力学、层合板复合材料力学、有限元素法基础、结构动力学基础、高等数学、线性代数

2 各向异性材料弹性力学基础

对于复合材料的构件进行结构分析时,均假定其在载荷作用下变形很小,且在弹性变形范围内,因此采用弹性力学的基本方法。

2.1 几何方程与变形协调条件

设u、v、w为直角坐标系下的位移分量,ϵx​、ϵy​、ϵz​、γyz​、γzx​、γxy​为应变分量,则在小变形条件下,它们的关系,即几何方程为:

​ϵx​=∂x∂u​,ϵy​=∂y∂v​,ϵz​=∂z∂w​γyz​=∂z∂v​+∂y∂w​,γzx​=∂x∂w​+∂z∂u​,γxy​=∂y∂u​+∂x∂v​​⎭⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎫​

将上式中消去位移u、v、w后可得:

​∂x∂y∂2γxy​​=∂y2∂2ϵx​​+∂x2∂2ϵy​​∂y∂z∂2γyz​​=∂z2∂2ϵy​​+∂y2∂2ϵz​​∂z∂x∂2γzx​​=∂x2∂2ϵz​​+∂z2∂2ϵx​​2∂y∂z∂2ϵx​​=∂x∂​(−∂x∂γyz​​+∂y∂γzx​​+∂z∂γxy​​)2∂z∂x∂2ϵy​​=∂y∂​(∂x∂γyz​​−∂y∂γzx​​+∂z∂γxy​​)2∂x∂y∂2ϵz​​=∂z∂​(∂x∂γyz​​+∂y∂γzx​​−∂z∂γxy​​)​⎭⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎫​

这就是连续性方程,也叫变形协调条件。

2.2 平衡方程

三维弹性力学的平衡方程为:

​∂x∂σx​​+∂y∂τxy​​+∂z∂τxz​​+fx​=0∂x∂τxy​​+∂y∂σy​​+∂z∂τyz​​+fy​=0∂x∂τzx​​+∂y∂τyz​​+∂z∂σz​​+fz​=0​⎭⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎫​

fx​、fy​和fz​为体力(外力)。在很多问题时,可以忽略体力,即:

​∂x∂σx​​+∂y∂τxy​​+∂z∂τxz​​=0∂x∂τxy​​+∂y∂σy​​+∂z∂τyz​​=0∂x∂τzx​​+∂y∂τyz​​+∂z∂σz​​=0​⎭⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎫​

2.3 物理方程

对各向异性材料,其物理方程为:

  1. 正轴坐标系下:

    ⎣⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎡​σ1​σ2​σ3​τ23​τ31​τ12​​⎦⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎤​=⎣⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎡​C11​C21​C31​000​C12​C22​C32​000​C13​C23​C33​000​000C44​00​0000C55​0​00000C66​​⎦⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎤​⎣⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎡​ϵ1​ϵ2​ϵ3​γ23​γ31​γ12​​⎦⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎤​

    或

    ⎣⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎡​ϵ1​ϵ2​ϵ3​γ23​γ31​γ12​​⎦⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎤​=⎣⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎡​S11​S21​S31​000​S12​S22​S32​000​S13​S23​S33​000​000S44​00​0000S55​0​00000S66​​⎦⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎤​⎣⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎡​σ1​σ2​σ3​τ23​τ31​τ12​​⎦⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎤​

  2. 一般直角坐标系下:

    ⎣⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎡​σx​σy​σz​τyz​τzx​τxy​​⎦⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎤​=⎣⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎡​C11​C21​C31​C41​C51​C61​​C12​C22​C32​C42​C52​C62​​C13​C23​C33​C43​C53​C63​​C14​C24​C34​C44​C54​C64​​C15​C25​C35​C45​C55​C65​​C16​C26​C36​C46​C56​C66​​⎦⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎤​⎣⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎡​ϵx​ϵy​ϵz​γyz​γzx​γxy​​⎦⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎤​

    或

    ⎣⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎡​ϵx​ϵy​ϵz​γyz​γzx​γxy​​⎦⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎤​=⎣⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎡​S11​S21​S31​S41​S51​S61​​S12​S22​S32​S42​S52​S62​​S13​S23​S33​S43​S53​S63​​S14​S24​S34​S44​S54​S64​​S15​S25​S35​S45​S55​S65​​S16​S26​S36​S46​S56​S66​​⎦⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎤​⎣⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎡​σx​σy​σz​τyz​τzx​τxy​​⎦⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎤​

2.4 弹性力学的一般解法

弹性力学微分方程有6个应力分量、6个应变分量合3个位移分量,共15个未知函数,恰好有15个方程。

  1. 在求解时,若把几何方程代入到物理方程,消去应变分量,得到位移-应力的方程;把新得到的方程代入平衡方程,消去应力分量,得到仅有位移的微分方程。这就是位移法。
  2. 在求解时,若把由几何方程导出的变形协调条件代入到物理方程,消去应变分量,得到一组只含应力分量的方程;由新得到的方程与平衡方程联立,得到仅有应力的微分方程。这就是力法。
  3. 也有导出同时有位移和应力的微分方程的混合法。

在解弹性力学问题时,根据求解方法和边界条件不同,可以归纳为三类基本问题:

  1. 弹性体全部表面都给定了外力,要求确定弹性体内部及表面任意点上的应力和位移。其边界条件可以写作,

    ​l(σx​)Sσ​​+m(τyx​)Sσ​​+n(τzx​)Sσ​​=f​x​(Sσ​)m(σy​)Sσ​​+n(τzy​)Sσ​​+l(τxy​)Sσ​​=f​y​(Sσ​)n(σz​)Sσ​​+l(τxz​)Sσ​​+m(τyz​)Sσ​​=f​z​(Sσ​)​⎭⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎫​

    其中l、m、n为Sσ​边界的外法线与x、y和z轴分别的夹角余弦。应力下标Sσ​表示应力在Sσ​边界处。f​x​(Sσ​)、f​y​(Sσ​)和f​z​(Sσ​)是Sσ​边界处x、y和z方向的面力(外力)分量。
  2. 弹性体在全部表面给定了位移,要求确定弹性体的内部及表面任意点上的应力和位移。其边界条件可以写作:

    ​(u)Su​​=u(Su​)(v)Su​​=v(Su​)(w)Su​​=w(Su​)​⎭⎪⎪⎬⎪⎪⎫​

    位移下标Su​表示应力在Su​边界处。u(Su​)、v(Su​)和w(Su​)是Su​边界处约束位移分量。
  3. 弹性体一部分表面上给定了外力,在其余表面上给定了位移,要求确定弹性体的内部及表面任意点上的应力和位移。其边界条件可以写作:

    ​σij​nj​=f​i​(Sσ​)(u)Su​​=u(Su​)(v)Su​​=v(Su​)(w)Su​​=w(Su​)​⎭⎪⎪⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎫​

    其中应力边界条件是按照指标符号记法的。

3 复合材料梁

如图所示,由单层叠合成的复合梁,在承受弯矩时有两种状态。一种是(a)的层合梁,另一种是(b)的板梁。
受集中载荷悬臂板梁的应力分布

3.1 复合材料层合梁分析

3.1.1 层合梁的抗弯刚度和应力

如图所示,由单层叠合而成的层合梁,假定载荷作用在对称面上,梁的变形满足等直线法线假设,层合梁的平截面变形后仍保持平面(γzx​=γyz​=ϵz​=0);同时假定梁的弯曲呈柱状变形(v=0且∂y∂u​=∂y∂w​=0)。
受集中载荷悬臂板梁的应力分布

考察梁在Oxy平面内的变形,结合层合板的几何关系,由柱状变形假设可得层合板弯曲的几何关系:

​ϵx​=∂x∂u0​​−z∂x2∂2w0​​ϵy​=∂y∂v0​​−z∂y2∂2w0​​=0γxy​=∂y∂u0​​+∂x∂v0​​=0​⎭⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎫​(3.1.1.1)

其中,u0​、v0​和w0​为参考面出的位移分量。

每个板可看成平面应力状态,对于第k层,按胡克定律其应力为:

​σx(k)​=Q​11(k)​ϵx​=Q​11(k)​(∂x∂u0​​−z∂x2∂2w0​​)σy(k)​=Q​12(k)​ϵx​=Q​12(k)​(∂x∂u0​​−z∂x2∂2w0​​)τxy(k)​=Q​16(k)​ϵx​=Q​16(k)​(∂x∂u0​​−z∂x2∂2w0​​)​⎭⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎫​(3.1.1.2)

对应力沿梁高度积分,分别得到梁的内力和内力矩为:

​Nx​=A11​∂x∂u0​​−B11​∂x2∂2w0​​Ny​=A12​∂x∂u0​​−B12​∂x2∂2w0​​Nxy​=A16​∂x∂u0​​−B16​∂x2∂2w0​​Mx​=B11​∂x∂u0​​−D11​∂x2∂2w0​​My​=B12​∂x∂u0​​−D12​∂x2∂2w0​​Mxy​=B16​∂x∂u0​​−D16​∂x2∂2w0​​​⎭⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎫​(3.1.1.3)

其中Aij​、Bij​和Dij​分别是梁的面内刚度系数、耦合刚度系数和弯曲刚度系数:

Aij​=k=1∑N​Q​ij(k)​(zk+1​−zk​)Bij​=21​k=1∑N​Q​ij(k)​(zk+12​−zk2​)Dij​=31​k=1∑N​Q​ij(k)​(zk+13​−zk3​)

由于面内力Nx​=0,代入到(3.1.1.3)第一式得:

∂x∂u0​​=A11​B11​​∂x2∂2w0​​(3.1.1.4)

代入到(3.1.1.3)第四式得:

∂x2∂2w0​​=B112​−A11​D11​A11​​Mx​(3.1.1.5)

可改写为:

∂x2∂2w0​​=DMx​​

其中,D被称为层合梁的抗弯刚度:

D=A11​B112​−A11​D11​​

当层合梁是以中面对称铺设时B11​=0,有D=−D11​。

得梁的挠度:

w0​(x)=D1​∫[∫Mx​(x)dx]dx+C1​x+C2​(3.1.1.6)

将(3.1.1.4)和(3.1.1.5)代入到(3.1.1.2)中,得到部分应力:

​σx(k)​=Q​11(k)​B112​−A11​D11​A11​​(A11​B11​​−z)Mx​σy(k)​=Q​12(k)​B112​−A11​D11​A11​​(A11​B11​​−z)Mx​τxy(k)​=Q​16(k)​B112​−A11​D11​A11​​(A11​B11​​−z)Mx​​⎭⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎫​(3.1.1.7)

若将(3.1.1.4)和(3.1.1.5)代入到(3.1.1.3),也可求得部分内力和内力矩关系:

​Nx​=0Ny​=B112​−A11​D11​A12​B11​−A11​B12​​Mx​Nxy​=B112​−A11​D11​A16​B11​−A11​B16​​Mx​Mx​=Mx​My​=B112​−A11​D11​B11​B12​−A11​D12​​Mx​Mxy​=B112​−A11​D11​B11​B16​−A11​D16​​Mx​​⎭⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎫​

可以看出,在柱状弯曲状态下,内力Ny​、Nxy​、My​和Mxy​均不为零。即:要使层合梁形成柱状弯曲,除了加载弯矩和剪力外,还要在边界处提供上述内力方向的外载荷。

3.1.2 层合梁的中性面位置

对于非对称铺层的层合梁,中性面并不是几何中面。如图所示,非对称层合梁几何中面上作用一轴向力N,
受集中载荷悬臂板梁的应力分布
沿几何中面各店的内力和内力矩分别为Nx0​=N和Mx0​=0,带入到(3.1.1.3)的第一式和第四式中:

​∂x∂u0​​=A11​D11​−B112​D11​​N∂x2∂2w0​​=A11​D11​−B112​B11​​N​⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎪⎫​(3.1.2.1)

另一方面,假定中性面是距几何中面为za​的ab面,则按中性面的定义,曲率可表示为:

∂x2∂2w0​​=A11​D11​−B112​A11​​Nza​(3.1.2.2)

将(3.1.2.1)的第二式和(3.1.2.2)对比,得中性面的位置:

za​=A11​B11​​

3.1.3 层合梁的剪应力

除纯弯梁以外,通产在横向载荷作用下,将产生Oxy面内剪应力。如图所示,在集中载荷作用下简支梁的剪力图、弯矩图以及微元体应力内力分布图。
夹层板的受力分析与集合要素
注意:为了使弹性力学和材料力学的梁的剪力、弯矩正方向一致,按如图所示放置坐标系。即:x轴为梁的长度方向,向右为正;y轴为梁的宽度方向,向外为正,z轴为梁的厚度方向,向下为正。
与各向同性梁一样,在层合梁的横截面将存在与剪力方向平行的剪应力τxz​,其内部也存在平行于横截面法线的剪应力τzx​。在梁的a−a和b−b处截出长为dx的一段微元体。再截取相距参考面zi​的m−n截面以上的部分amnb,画出其微元应力分量。

微元体在x方向平衡,即∑X=0,设梁宽为b,则有:

∫zi​2h​​σx(k)​bdz+τzx(k)​bdx=∫zi​2h​​(σx(k)​+dσx(k)​)bdz

从而:

τzx(k)​=dx1​∫zi​2h​​dσx(k)​dz

将(3.1.1.7)的第一式代入上式,得:

τzx(k)​=B112​−A11​D11​A11​​dxdMx​​[A11​B11​​∫zi​2h​​Q​11(k)​dz−∫zi​2h​​Q​11(k)​zdz]

对于对称层合梁,B11​=0,于是其剪应力可化简为:

τzx(k)​=D11​Qx​​∫zi​2h​​Q​11(k)​zdz

注意到:

∫zi​2h​​Q​11(k)​zdz=i=k∑n/2​Q​11(k)​∫zk​zk+1​​zdz=i=k∑n/2​Q​11(k)​Sk​

其中Sk​为zk​处单位宽度层合梁对于参考轴的静矩:

Sk​=2(zk+1​+zk​)(zk+1​−zk​)​

于是对称层合梁剪应力公式为:

τzx(k)​=D11​Qx​​i=k∑n/2​Q​11(k)​Sk​(3.1.3.1)

3.2 复合材料板梁分析

板梁的高度较大而宽度较小,与平板的面内受力状态相似,通常是处于平面应力状态。
如图所示,一段受有集中载荷一段固定的悬臂梁。
蜂窝夹层结构的构造
为了计算简便,此时板梁为单层板,选取的坐标系不与材料主轴重合。

按照力法求解弹性力学方程。体力视为零,设应力函数为F(x,y),则:

​σx​=∂y2∂2F(x,y)​σy​=∂x2∂2F(x,y)​τxy​=−∂x∂y∂2F(x,y)​​⎭⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎫​(3.2.1)

下面按照半逆解法求解应力函数。

由于上下边界无任何外力,则σy​=0,即:

σy​=∂x2∂2F(x,y)​=0

将上面方程对x作两次积分:

F(x,y)=xf1​(y)+f2​(y)(3.2.2)

平面应力状态的物理方程为:

⎣⎢⎡​ϵx​ϵy​γxy​​⎦⎥⎤​=⎣⎢⎡​S11​S21​S61​​S12​S22​S62​​S16​S26​S66​​⎦⎥⎤​⎣⎢⎡​σx​σy​τxy​​⎦⎥⎤​(3.2.3)

变形协调方程为:

∂y2∂2ϵx​​+∂x2∂2ϵy​​=∂x∂y∂2γxy​​(3.2.4)

将(3.2.1)代入到(3.2.3),再代入到(3.2.4)得平面问题的基本方程:

S22​∂x4∂4F(x,y)​−2S26​∂x3∂y∂4F(x,y)​+(2S12​+S66​)∂x2∂y2∂4F(x,y)​−2S16​∂x∂y3∂4F(x,y)​+S11​∂y4∂4F(x,y)​=0(3.2.5)

再将(3.2.2)代入到上式,同时令D=−2S16​,E=S22​得:

Ddy3d3f1​(y)​+Exdy4d4f1​(y)​+Edy4d4f2​(y)​=0

要使上述方程对任意x均成立,应有:

​dy4d4f1​(y)​=0Ddy3d3f1​(y)​+Edy4d4f2​(y)​=0​⎭⎪⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎪⎫​(3.2.6)

由上式的第一式得:

f1​(y)=B1​y3+B2​y2+B3​y+B4​

将上式代入到(3.2.6)第二式中:

f2​(y)=C1​y4+C2​y3+C3​y2+C4​y+C5​

将上面两式回代到(3.2.2)中,并略去不影响应力分布的一次项及常数项:

F(x,y)=B1​xy3+B2​xy2+B3​xy+C1​y4+C2​y3+C3​y2(3.2.7)

模型中有以下边界条件:

  1. 在y=±h处(上下面边界)无面力:(σy​)y=±h​=(τxy​)y=±h​=0;
  2. 在y=l处(自由端)轴向力为零:N=∫−h+h​(σx​)x=l​dy=0;
  3. 在y=l处(自由端)受已知剪力:P=∫−h+h​(τxy​)x=l​dy;
  4. 在y=l处(自由端)弯矩为零:M=∫−h+h​(σx​)x=l​ydy=0。

将条件1的(τxy​)y=±h​=0代入到(3.2.1)的第三式和(3.2.7)得:

−3B1​h2+2B2​h+B3​=−3B1​h2−2B2​h+B3​

则B2​=0。于是可把(3.2.7)写成:

F(x,y)=A1​xy+A2​y2+A3​y3+A4​xy3+A5​y4(3.2.8)

将上式代入(3.2.1)得:

​σx​=2A2​+6A3​y+6A4​xy+12A5​y2σy​=0τxy​=−A1​−3A4​y2​⎭⎪⎪⎬⎪⎪⎫​(3.2.9)

将上式代入边界条件得:

A1​+3A4​h2=0A2​+2A5​h2=0A1​+A4​h2=−2hP​A3​+A4​l=0

除此之外,将(3.2.8)代入到(3.2.5)中,得:

A4​=2S16​S11​​A5​

由以上五个方程解得:

A1​=−4h3P​,A2​=−4hP​S11​S16​​,A3​=4h3Pl​,A4​=4h3P​,A5​=8h3P​S11​S16​​

将上述解代入(3.2.9)得梁的应力:

​σx​=23​h3P​(l−x)y−2S11​S16​​h3P​(h2−3y2)σy​=0τxy​=43​h3P​(h2−y2)​⎭⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎫​(3.2.10)

于是其分布情况如图所示:
受拉伸载荷的夹层结构
由此可见,对于x方向拉压与xy面剪切耦合的单层复合材料板梁(S16​​=0),弯曲时σx​不是关于几何中面对称分布的;但τxy​与各向同性梁一样,沿高度呈抛物线分布。

将上面的应力解代入物理方程,再代入到几何方程得位移函数:

​u=4h3P​[−3S11​(2l−x)xy+S16​(h2−3y2)x+(S11​2S162​​−S12​−S66​)y3−3S16​ly2]v=4h3P​[−2S12​(l−x)y2−S11​2S16​​(h2−y2)y+S26​(3h2−y2)y+S11​(3l−x)x2+(3S66​−S11​2S162​​)h2x]​⎭⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎫​(3.2.11)

梁中心线的最大挠度,即在x=l、y=0处的v为:

vmax​=4h3Pl3​[2S11​+l2h2​(3S66​−S11​S16​​)](3.2.12)

4 夹层结构分析

板结构在承受弯矩时,远离中面的层可以提供较大的抗弯刚度。因此在设计承弯结构时把弹性模量大、强度高的材料配置在远离中面的部位,中面附近受力较小,可使用强度和模量较低的材料。夹层板和夹层梁就是这类结构的典型例子。

如图所示,夹层结构通常由三部分组成,最外层是面板,也被称蒙皮;中间是芯材,常用的有泡沫塑料、金属或非金属材料制成的蜂窝和波纹板;将面板和芯材连接在一起的是胶结层。
六边形蜂窝芯材尺寸要素
夹层结构的面板主要承受弯曲变形引起的正应力。芯子主要承受剪应力。胶结层主要承受剪应力。

4.1 夹层板分析基础

对夹层板做如下假设:

  1. 薄板面只承受面内应力σx​、σy​和τxy​,为平面应力状态;
  2. 由于芯材较软,故忽略夹心平行于Oxy面内应力分布,只承受沿厚度均匀分布横向剪应力,其应力状态是σx​=σy​=τxy​=0,τxz​​=0和τyz​​=0;
  3. 在夹芯和面板中,应力分量σz​很小,即假定σz​=0,同时假设ϵz​=0。

如图所示,在面板为层合板、芯材为各向同性材料构成的夹层板上,设立直角坐标系Oxyz,xy平面为芯材几何中面,z轴向下。其上作用弯矩扭矩Mx​、My​和Mxy​,以及剪力Qyz​和Qxz​。
受拉伸载荷的夹层结构

  1. 芯材:
    由假设2得:

    ∂z∂τyz​​=0,∂z∂τxz​​=0

    设芯材厚度为hc​。于是

    ​τyz​=hc​Qyz​​τxz​=hc​Qxz​​​⎭⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎫​

    芯材的剪切模量为Gc​,代入物理方程,结合几何方程得:

    ​γxz​=∂x∂w​+∂z∂u​=Gc​hc​Qxz​​γyz​=∂y∂w​+∂z∂v​=Gc​hc​Qyz​​​⎭⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎫​

    由ϵz​=0得w=w0​(x,y)。令C=Gc​hc​,将上式对z积分得:

    ​u=u0​(x,y)−z(∂x∂w0​(x,y)​−CQxz​​)v=v0​(x,y)−z(∂y∂w0​(x,y)​−CQyz​​)​⎭⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎫​

    令:

    ​ϕx​=∂x∂w0​​−CQxz​​ϕy​=∂y∂w0​​−CQyz​​​⎭⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎫​(4.1.1)

    结合w的函数,得芯材的位移函数:

    ​u=u0​−zϕx​v=v0​−zϕy​w=w0​​⎭⎪⎪⎬⎪⎪⎫​(4.1.2)

    其中−hc​/2≤z≤hc​/2。

    可以看出,ϕx​和ϕy​是芯材的转角,u0​和v0​是参考面的面内位移。

  2. 板面:
    以下面板为例,由于面板为平面应力状态(τyz​=τxz​=σz​=0),代入单层的偏轴物理方程得:γxz​=γyz​=0,又已假设ϵz​=0,则可用经典层合板理论分析面板。

    取直角坐标系O2​xyz2​,它是由坐标系Oxyz向下平移到下面板的几何中面形成的,于是

    z2​=z−h2​(4.1.3)

    由经典层合板理论得:

    ​u=u02​​(x,y)−z2​∂x∂w02​​(x,y)​v=v02​​(x,y)−z2​∂y∂w02​​(x,y)​w=w02​​(x,y)​⎭⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎫​

    其中−t2​/2≤z2​≤t2​/2,t2​为下面板的厚度,则有:

    hc​/2=h2​−t2​/2(4.1.4)

    胶结层很薄,在芯材和面板接触面上视作没有相对滑动。所以位移函数u、v和w在接触面处连续。又由于w0​(w,y)与w02​​(x,y)与z无关,即二者不沿厚度变化,所以w02​​=w0​。则上式可写为:

    ​u=u02​​(x,y)−z2​∂x∂w0​(x,y)​v=v02​​(x,y)−z2​∂y∂w0​(x,y)​w=w0​(x,y)​⎭⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎫​(4.1.5)

    在芯材和下面板接触面上,z=hc​/2、z2​=−t2​/2。代入到(4.1.2)和(4.1.5)中,此时两组函数表示相同的点的位移情况,二者应该相等:

    u0​−2hc​​ϕx​=u02​​+2t2​​∂x∂w0​​v0​−2hc​​ϕy​=v02​​+2t2​​∂y∂w0​​

    即得到下板面的中面位移:

    ​u02​​=u0​−2hc​​ϕx​−2t2​​∂x∂w0​​v02​​=v0​−2hc​​ϕy​−2t2​​∂y∂w0​​w02​​=w0​​⎭⎪⎪⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎫​(4.1.6)

    将上式代入到(4.1.5)中:

    ​u=u0​−2hc​​ϕx​−2t2​​∂x∂w0​​−z2​∂x∂w0​​v=v0​−2hc​​ϕy​−2t2​​∂y∂w0​​−z2​∂y∂w0​​w=w0​(x,y)​⎭⎪⎪⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎫​

    由(4.1.3)和(4.1.4)得:z2​=z−t2​/2−hc​/2。将其代入上式中,并注意到(4.1.1)得:

    ​u=u0​+2hc​​CQxz​​−z∂x∂w0​​v=v0​+2hc​​CQyz​​−z∂y∂w0​​w=w0​​⎭⎪⎪⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎫​(4.1.7)

    其中hc​/2≤z≤hc​/2+t2​。

    同理得上板面的中面位移为:

    ​u01​​=u0​+2hc​​ϕx​+2t2​​∂x∂w0​​v01​​=v0​+2hc​​ϕy​+2t2​​∂y∂w0​​w01​​=w0​​⎭⎪⎪⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎫​(4.1.8)

    上板面的位移函数为:

    ​u=u0​−2hc​​CQxz​​−z∂x∂w0​​v=v0​−2hc​​CQyz​​−z∂y∂w0​​w=w0​​⎭⎪⎪⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎫​(4.1.9)

    其中−hc​/2≤z≤−hc​/2−t2​。

综合(4.1.2)、(4.1.7)和(4.1.9)得整个夹层板的位移函数:

​u=⎩⎪⎪⎨⎪⎪⎧​u0​−2hc​​CQxz​​−z∂x∂w0​​(−hc​/2−t1​/2≤z≤−hc​/2)u0​−zϕx​(−hc​/2≤z≤hc​/2)u0​+2hc​​CQxz​​−z∂x∂w0​​(hc​/2≤z≤hc​/2+t2​/2)​v=⎩⎪⎪⎨⎪⎪⎧​v0​−2hc​​CQyz​​−z∂y∂w0​​(−hc​/2−t1​/2≤z≤−hc​/2)v0​−zϕy​(−hc​/2≤z≤hc​/2)v0​+2hc​​CQyz​​−z∂y∂w0​​(hc​/2≤z≤hc​/2+t2​/2)​w=w0​​⎭⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎫​(4.1.10)

上下面板的中面位移为:

​u0i​​=u0​−2hc​​ϕx​±2ti​​∂x∂w0​​v0i​​=v0​−2hc​​ϕy​±2ti​​∂y∂w0​​w0i​​=w0​​⎭⎪⎪⎪⎪⎪⎬⎪⎪⎪⎪⎪⎫​(4.1.11)

i=1,2分别表示上、下面的量。当i=1时,±号取−号;当i=2时,±号取+号。

4.2 蜂窝夹层结构的工程计算

航空航天器结构设计中常用的夹层结构是蜂窝芯层。目前工程中比较广泛应用的是六边形蜂窝夹层结构。

4.2.1 蜂窝夹层结构的密度计算

如图所示蜂窝夹层的结构:
受剪切载荷的夹层结构
上、下面板的厚度分别为t1​和t2​,密度分别为ρ1​和ρ2​;胶结层的厚度为tp​,密度为ρp​;蜂窝夹层结构整体的长度、宽度和高度分别为a、b和h。于是蜂窝芯高度为:

hc​=h−(t1​+t2​+2tp​)

于是蜂窝夹层结构的密度为:

ρ=abhabt1​ρ1​+abt2​ρ2​+2abtp​ρp​+abhc​ρc​​=ht1​​ρ1​+ht2​​ρ2​+2htp​​ρp​+(1−ht1​+t2​+2tp​​)ρc​

其中,ρc​为蜂窝芯子的等效密度。

通常蜂窝夹层结构的上、下面板厚度相同,且由同样的层合板制成,即t1​=t2​=tf​,ρ1​=ρ2​=ρf​,而蜂窝芯的密度ρc​比ρf​要小很多,且tp​很小,故h2tp​​ρc​项可以略去,于是上式简化为:

ρ=h2tf​ρf​​+h2tp​ρp​​+(1−h2tf​​)ρc​(4.2.1.1)

下面计算蜂窝芯材的等效密度。

如图所示,取出六边形蜂窝芯中阴影部分的矩形,作为考虑密度的基本单元。
蜂窝芯在Oyz面受剪的情形
蜂窝壁材料密度为ρs​。按图的尺寸,蜂窝芯材的密度为:

ρc​=(d+ccosθ)(ccosθ+ts​)(d+c)ts​hc​ρs​​

正六边形蜂窝芯的θ=60∘,于是上式变为:

ρc​=1.54ρs​cts​​(4.2.1.2)

将上式代入到(4.2.1.1)中,得蜂窝夹层结构的密度为:

ρ=h2tf​ρf​​+h4tp​ρp​​+1.54cts​​(1−h2tf​​)ρs​(4.2.1.3)

4.2.2 蜂窝夹层结构的等效弹性模量计算

在蜂窝夹层结构的设计计算中,通常需要计算蜂窝夹层结构的等效面内拉伸模量、蜂窝夹层结构的等效剪切模量、蜂窝芯材的平拉(平压)模量和蜂窝芯材的剪切模量等主要参数。

4.2.2.1 面内拉伸弹性模量

如图所示,蜂窝夹层结构受面内拉伸载荷。
蜂窝芯在Oxz面受剪的情形

则:

P=2σf​tf​b+σc​hc​b

其中,σf​、σc​分别为面板和芯材的应力。若ϵx​为夹层结构的平均应变,ϵfx​和ϵcx​分别为面板和芯材的应变,Efx​和Ecx​分别为面板和芯材在x方向的拉伸模量,则上式可写成:

Ex​ϵx​hb=2Efx​ϵfx​tf​b+Ecx​ϵcx​hc​b

夹层结构在受拉伸是的变形协调条件为:

ϵx​=ϵfx​=ϵcx​

从而有:

Ex​=Efx​h2tf​​+Ecx​hhc​​

由于蜂窝芯材在x、y方向上的拉伸模量甚小,工程上可忽略,则:

Ex​=Efx​h2tf​​

对于x、y方向正方对称的面板Efx​=Efy​=Ef​:

Ex​=Ey​=Ef​h2tf​​(4.2.2.1.1)

4.2.2.2 蜂窝夹层结构的剪切模量

如图所示,蜂窝夹层结构承受Oxz平面、Oyz平面和Oxy平面内的剪切,在这两种载荷作用下,夹层结构将出现不同变形。
受平拉的夹层结构

  1. 蜂窝夹层在Oxz平面和Oyz平面的剪切模量
    (b)所示为Oxz平面的Qxz​载荷作用下的变形情况:

    Δ=2Δf​+Δc​

    假定蜂窝芯材的剪应变γc​,面板的剪应变为γf​,结构的总剪应变为γx​,则上式可写成

    γx​h=2tf​γf​+hc​γc​

    若面板和芯材内相应的剪应力分别为τf​和τc​,夹层结构的相当剪应力为τx​。夹层结构在Oxz面的剪切模量为Gxz​,面板和芯材在Oxz面的剪切模量分别为Gfxz​和Gcxz​。则上式变成:

    Gxz​τx​​=2tf​Gfxz​τf​​+hc​Gcxz​τc​​

    由于面板和芯材胶结在一起,τx​=τc​=τf​,于是得:

    Gxz​1​=Gfxz​2tf​​+Gcxz​hc​​(4.2.2.2.1)

    同理得Oyz面的剪切模量:

    Gyz​1​=Gfyz​2tf​​+Gcyz​hc​​(4.2.2.2.2)

  2. 蜂窝夹层在Oxy平面的剪切模量
    (c)所示为夹层结构在Oxy面内的Qxy​作用下的变形,此时整个夹层结构在Oxy面内的相当应力为:

    τxy​=hbQxy​​

    若面板和芯材的剪应力分别为τfxy​和τcxy​,则有:

    Qxy​=τxy​hb=2τfxy​tf​b+τcxy​hc​b

    即:

    Gxy​γxy​h=2Gfxy​γfxy​tf​+Gcxy​γcxy​hc​

    由变形协调条件可知γxy​=γfxy​=γcxy​,从而得:

    Gxy​=Gfxy​h2tf​​+Gcxy​hhc​​

    由于Gcyx​≈0,所以蜂窝夹层结构Oxy面内的剪切模量为:

    Gxy​=Gfxy​h2tf​​(4.2.2.2.3)

4.2.2.3 蜂窝芯料的剪切模量

通常将平行于蜂窝壁重叠连接的方向定为x方向,称为纵向;于其垂直的方向定为y方向,称为横向。在计算夹层结构的剪切模量时,需知芯材的剪切模量Gcxz​和Gcyz​,二者往往并不相同。

  1. 横向剪切模量Gcxz​
    如图所示,蜂窝芯在Oyz面受剪时的剪流图。
    受平拉的夹层结构
    取阴影部分为基本单元体。这个单元体内只有一个蜂窝边受剪,设这个边所受剪流为T。蜂窝芯材材料的剪切模量为Gs​,厚度为ts​。由于Ecx​很小,故x方向的边的拉伸应变能可略去。则此单元体的应变能为:

    U=2Gs​cts​(cT)2hc​​=2Gs​ts​chc​T2​

    将此基本单元折合为一个等体积均质实心的相当体(图中(c)所示),此相当体在y方向所取单元体有相同的剪切模量。则此相当体在y方向所承受的剪应力为

    τyz​=(d+ccosθ)csinθcTsinθ​

    由于为正六边形蜂窝(d=c、θ=60∘),则:

    τyz​=3c2T​

    此相当体的在y方向的剪切模量也为Gcxz​,相当体的应变能为:

    U=2Gcyz​τyz2​​csinθ(d+ccosθ)hc​=63​​Gcyz​T2hc​​

    相当体与单元体的应变能应该相等:U=U,即:

    2Gs​ts​chc​T2​=63​​Gcyz​T2hc​​

    于是:

    Gcyz​=33​​cts​​Gs​≈0.58cts​​Gs​

    结合(4.2.1.2)得:

    Gcyz​=0.38ρs​ρc​​Gs​(4.2.2.3.1)

    上式表明蜂窝芯材的横向剪切模量与芯子的密度成正比。

  2. 纵向剪切模量Gcyz​
    如图所示,蜂窝芯在Oxz面受剪时的剪流图。
    受平拉的夹层结构
    同前面的分析一样。同样设蜂窝壁上的剪流为T,则单元体应变能为:、

    U=22Gs​cts​(cT)2hc​​=Gs​ts​T2chs​​

    其等体积均质实心体相当体的剪应力为:

    τxz​=(d+ccosθ)csinθcT+cTcosθ​=3​c2T​

    相当体的应变能为:

    U=2Gcyz​τyz2​​csinθ(d+ccosθ)hc​=2Gcxz​3​​T2hc​

    二者应变能相等,U=U:

    Gs​ts​T2chs​​=2Gcxz​3​​T2hc​

    于是:

    Gcxz​=0.866cts​​Gs​

    结合(4.2.1.2)得:

    Gcxz​=0.562ρs​ρc​​Gs​(4.2.2.3.2)

    可以看出蜂窝芯的纵向剪切模量也与蜂窝芯的密度成正比。

4.2.2.4 蜂窝夹层结构的平拉(或平拉)模量

如图所示,夹层结构在z向受拉伸载荷P。
受平拉的夹层结构
设面板和芯材分别产生应变ϵfz​和ϵcz​,夹层结构整体的应变为ϵz​。则z向的总变形为:

ϵz​h=2ϵfz​tf​+ϵcz​hc​

即:

ϵz​=ϵfz​h2tf​​+ϵcz​hhc​​

夹层结构在z方向的模量为Ez​,面板和芯材的z向模量分别为Efz​和Ecz​,按上式并用胡克定律得:

Ez​σz​​=Efz​σfz​​h2tf​​+Ecz​σcz​​hhc​​

由于z向受载,夹层结构的面板和芯材为串联,故各部分的z向应力相等,即σz​=σfz​=σcz​,所以:

Ez​1​=Efz​1​h2tf​​+Ecz​1​hhc​​(4.2.2.4.1)

其中,芯材的平拉(或平压)模量Ecz​,对于六边形蜂窝芯有:

Ecz​=ρs​ρc​​Es​(4.2.2.4.2)


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