高强中模复合材料开孔层压板边缘应力分析研究

针对T800级碳纤维增强复合材料开孔层压板在拉–拉疲劳试验过程中，在低应力水平下试样边缘出现大面积分层现象的工程问题，开展了开孔试样宽径比(宽度与开孔直径之比)对边缘应力集中影响的分析研究。通过数值仿真分析方法模拟了宽径比为6~10五种构型试样在拉伸载荷作用下的应力分布形式，结果表明边缘效应一直都存在，不会随着宽径比的增加而消失，但是会随着试样宽径比的增加而减弱对层间界面边缘应力集中的影响。

复合材料具有优异的比强度、比刚度性能，以及抗疲劳、耐腐蚀性能，在飞机结构上得到了广泛应用。碳纤维增强复合材料的增强相从T300 级碳纤维发展到了T800 级碳纤维，纤维性能实现大幅提升， 使得复合材料层压板纤维控制性能的较大提高， 更有利于结构减重；但是T800 级碳纤维增强复合材料性能提升的同时带来了一些此前T300 级碳纤维复合材料不存在的问题。

例如通过对开孔拉–拉疲劳试验过程的观察， 发现在较低应力比(疲劳峰值强度与静强度之比)下开孔拉伸试样边缘出现了大面积的分层现象， 得到了与T300 级碳纤维增强复合材料层压板不同的失效模式；因此T800 级碳纤维增强复合材料试样边缘应力分析值得引起学者们的关注。

目前，许多学者对复合材料层压板在自由边处的层间应力开展了研究，包括解析法、有限差分方法以及有限元法。Salamon [1]，Altus et al. [2]，Pagano [3]和Bhasker et al. [4]等人采用有限差分法研究了复合材料层压板边缘层间应力问题， Wang [5]等人则采用了有限元方法， Tang [6] [7]等人采用边界层理论研究了复合材料层压板在拉伸载荷作用下的自由边效应问题。

上述研究主要针对T300 级碳纤维增强复合材料层压板，目前少有研究学者对T800 级碳纤维增强复合材料层压板边缘应力开展深入研究。

本文针对T800 级碳纤维增强复合材料开孔层压板， 开展层间应力数值仿真分析研究， 通过模拟不同宽径比的试样获取宽径比对开孔层压板在拉伸载荷作用下的边缘应力影响规律，为探究高强中模型复合材料开孔层压板边缘易分层问题提供分析支撑。

2. 数值仿真模型与方法 2.1. 数值模型 本文采用复合材料层内模型和层间模型构建开孔拉伸仿真模型；层内模型采用实体单元模拟；层间损伤模型采用界面单元(cohesive element)来模拟。有限元模型中开孔层压板尺寸、铺层与试验相同，层压板尺寸为300 mm × 36 mm × 2.24 mm，开孔直径为6 mm，铺层形式为[45/0/−45/90]2S。为了更好地预测层压板分层损伤， 各层之间建立零厚度的Cohesive 单元， 采用三维8 节点六面体线性减缩积分单元C3D8R对各铺层的层压板单元进行模拟，Cohesive 单元为三维八节点粘性单元。开孔拉伸试样几何模型如图1所示。