夹层纤维增强塑料复合材料空心圆柱结构的强度和刚度分析的数值模拟研究外文翻译资料

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夹层纤维增强塑料复合材料空心圆柱结构的强度和刚度分析的数值模拟研究

作者Daiva Zeleniakiene, Vitalis Leisis and Paulius Griskevicius

摘要

使用实验获得的特定材料特性来进行空心圆柱结构的数值有限元模型的设计和实验验证。墙面板夹芯复合材料包括缠绕玻璃纤维和聚乙烯基酯树脂和再生纸的六角形蜂窝芯聚乙烯基酯树脂浸渍。该模型被用来确定空心圆柱结构刚度单元的最优几何布置来提供纤维增强塑料体积使用效率最大时的刚度和强度特性。它被确定只有气缸直径相对较低，气缸直径对刚度单元的布置才有显著影响。

关键词

夹芯复合材料，空心圆柱结构，应力，刚度，有限元建模

引言

夹层纤维增强塑料（FRP）复合材料是一种在各种应用中经常使用的材料。除此之外，由于其极高的抗弯刚度比和抗弯强度和重量比，它们被广泛应用于航空、交通、海洋和其他类似行业，它们在需要低重量和高结构性能的土木工程中的应用也越来越普遍。

玻璃钢（FRP）复合材料是最常用的面板材料夹层结构。玻璃钢复合材料通常是一种乙烯基酯，环氧树脂或聚酯热固性和热塑性树脂；另外补充物还添加了玻璃，碳或其他纤维。补充物都是单向或编织以及随机取向的纤维。核心材料采用夹层复合材料作为一个规则的如泡沫塑料、各种蜂窝、瓦楞材料或微型桁架结构的多孔材料。通过改变厚度和面板的材料和核心，根据特定应用的要求，可以确定结构的各种性能。

关于蜂窝夹芯复合材料的研究已经发表了大量的文章。这项研究的作者最近调查研究了六角形聚丙烯蜂窝芯的影响和含六角形聚丙烯蜂窝芯的纺织玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）夹层复合材料的准静态行为。夹层结构几何参数对动静态性能的影响评价了它们对层状结构力学参数的依赖性。

分析已发表的研究可以看出，夹层结构的最常用的测试是三点弯曲，压缩和剪切。这些测试允许比较各种不同的夹层复合材料的基本力学性能。然而，他们不能清楚地定义一个复杂的复合材料结构的力学特性。一些研究已经发表了由夹层复合材料制成的真正的结构和构造的力学特性分析，例如用于管道或储罐的土木工程或圆筒结构的板。

确定确保各种结构的刚度和强度，最大的材料体积使用效率的最佳几何参数，是一个非常现实的问题，不仅是因为材料的成本高，还因为发展环保技术的要求。

为了提高结构的刚度和强度，在不增加筒体刚度的前提下，常采用圆筒形钢结构。刚度单元的布置是明确的，因为它是由标准定义的（ISO 16528，EN 13445，EN 14015）。近年来，非金属的各种复合材料代替钢柱结构被经常使用。刚度元件在此类结构中的应用也有助于减少复合材料的体积，但这些结构的刚度元件的布置不是由标准定义的。

调查的对象是由夹层复合材料与由纤维缠绕玻璃纤维和聚乙烯基酯树脂和再生纸制成的六角形蜂窝芯聚乙烯基酯树脂浸渍面板组成的圆柱形结构。

研究的目的是：找出一种研究空心圆柱结构刚度和强度的方法；确定保证刚度单元刚度和强度性能与FRP体积最大效率的使用的最优几何布置。

材料和试验

图1所示的夹层结构用于实验研究。

图一

图1.夹层结构的应用1–玻璃纤维和聚乙烯基酯树脂复合材料面板；2 -聚乙烯基酯树脂浸渍的再生纸六角形蜂窝核心

这个面板是由Advantex glass 生产的R25H型玻璃纤维、纤维缠绕工艺设计和聚乙烯基酯树脂synolite 8388-p-1制备。为了确定夹层材料的力学性能，各种标准的测试在室内温度和利用万能试验机加载速率2mm/min进行并利用HBM的测量系统（赫金格尔鲍德温测量技术有限公司），其中包括位移和力传感器、一个四通道测量放大器spider-8和带有CatmanExpress软件的计算机。由一层玻璃纤维和聚乙烯基酯树脂组成的一片玻璃纤维增强材料（GFRP）进行固化的拉伸试验。片材的平均厚度为0.9毫米，纤维体积分数为43%。准备在纵向和横向方向的标签样本。玻璃纤维增强材料（GFRP）也进行压缩测试。制作一厚度为10毫米、由11层玻璃纤维组成的的板材。切割十二个立方体形状的试样进行压缩试验。所获得的机械性能见表1 。

由聚乙烯基酯树脂synolite 1717-n-1浸渍的再生纸六角形蜂窝被用于夹芯。蜂窝壁的厚度等于0.22毫米，蜂窝的高度等于10毫米。六角形蜂窝边缘等于10毫米，所获得的蜂窝芯的机械性能见表2。

表1. 获得的GFRP的机械性能。

机械性能 值 单位 标准

纵向拉伸强度，Xt 645 MPa ISO 527

横向抗拉强度，Yt 19.6 MPa ISO 527

纵向抗压强度，Xc 248 MPa ISO 604

横向抗压强度，Yc 48.2 MPa ISO 604

纵向杨氏模量，E1 37.5 GPa ISO 527

横向杨氏模量，E2 7.32 GPa ISO 527

泊松比， 0.28 - ISO 527

泊松比， 0.05 - ISO 527

剪切模量，G12 3.79 GPa ISO 14129

面内剪切强度，S12 23.0 MPa ISO 14129

表2.获得的纸的机械性能

蜂窝。

机械性能 值 单位 标准

杨氏模量，Eh1 10 MPa ISO 844

杨氏模量，Eh2 2.9 MPa ISO 844

杨氏模量，Eh3 25 MPa ISO 844

剪切模量，Gh13 235 MPa ISO 1922

抗压强度，sigma;hU 0.48 MPa ISO 844

剪切强度， 0.64 MPa ISO 1922

数值模型验证

有限元程序LS-DYNA v.971 r7.0.0模型用于夹层结构。蜂窝夹层结构玻璃钢可以用以下几种方式建模：使用壳单元的面板和六角形蜂窝，使用壳单元为面板和固体元素为核心，采用分层厚壳单元或采用层状薄壳复合单元。作为核心和面板之间的剥离失效模式已在实验中观察到，核心剥离现象的模拟测试应该使用（3D solids ）三维固体元素和用Tiebreak 连接与在面板的壳单元连接。为了节省大规模模型的计算时间，假设采用单层的薄壳复合单元模拟蜂窝夹层结构。壳被假定为由等效单均匀层构成。 具有类似于分离结构气缸的行为的有限元模型的复合壳单元不允许剥离破坏模式的模拟但失效准则允许胶合和核心层刚度降低。

因为在隐式分析中，渐进失效模式给出了不合适的结果，要通过执行一个明确的分析对准静态试验进行模拟。一个恒定的加载速率为100毫米/秒适用于所有的模拟案例。有限元网格尺寸对结果没有显著影响可为为标定试验采用网格2mm。玻璃纤维复合材料面板的夹层结构和蜂窝核心已被作为建模的一部分。蜂窝芯和面板之间的结合通过嵌入胶层建模。在真正的夹层结构中，不使用作为单独材料的胶或粘合剂，而是由于面板树脂粘附性能而实现粘合。数值模型的胶粘性质被定义为Synolite 8388-P-1树脂的机械性能（杨氏模量和拉伸强度分别为3.7GPa和14MPa）。对于GFRP面板，胶层和蜂窝芯，采用基于Chang和Chang21的四个故障标准的材料模型MAT 54（* MAT_ENHANCED_COMPOSITE_DAMAGE）。没有使用非线性剪切应力参数（ALPHA = 0）和拉伸纤维模式下的剪切系数（BETA = 1），因此采用Hashin22的原始标准。MAT 54模型允许使用层折扣方法来限定弹性和渐进失效行为，以降低复合材料的弹性材料性能。尝试使用不同的材料模型，如MAT 22（* MAT_COMPOSITE_DAMAGE）不允许实现实验行为。

MAT 54材料模型不仅包括材料的实验测量的物理性质，而且包括通常由材料模型校准确定的软件特定参数，导致实验和模拟之间的一致。

为了获得软件特定参数并验证夹层结构的FE模型，进行了三个不同的测试。 面板的拉伸试验允许验证材料模型和GFRP的失效标准。 夹层的三点弯曲和气缸试验的压缩允许验证夹层结构模型。

在第一步中，通过模拟面板的单轴拉伸试验进行数值复合模型的验证。对厚度等于90和65角层厚度为0.9mm和0.75mm。 面板的总厚度等于2.4mm。 使用的GFRP层的机械性能在表1中给出。弹性行为的数值结果显示与实验应力 - 应变曲线（见图2）良好一致。 为了实现与实验结果的良好相关性，添加层的进行性损伤标准（表3）。 当达到强度标准时，“塑性”行为开始并持续，直到达到失效应变。 实验测定了纤维方向上的拉伸（DFAILT）和压缩（DFAILC）破坏应变，矩阵方向上的破坏应变（DFAILM）和剪切破坏应变（DFAILS），并用于模拟层的渐进失效。一些参数如纤维抗拉强度软化参数（FBRT）不能通过实验获得; 因此，已经使用虚拟测试策略来确定。 不同材料模型和纤维抗拉强度软化参数的影响可以在图2中看到。在失效模式下，材料模型MAT 22不符合实验结果，但MAT 54显示与它们良好的一致性。 最佳符合给出曲线6，并且在随后的工作中，已经使用FBRT = 0.5的值。 在图2中，曲线4和7的重合行为表示具有FBRT参数分别等于1.0和0.75的MAT 54模型，这意味着在达到压缩矩阵标准之后，应当开始纤维拉伸强度的双倍减小。

图2. GFRP复合材料的拉伸应力 - 应变曲线[65/90]

此外，层压理论24用于比较GFRP复合材料的拉伸有效弹性模量。 结果示于表4中。

通过模拟三点弯曲试验进行夹层结构模型的验证。 首先，进行实验测试。 在三点弯曲下的夹层结构的草图显示了纤维取向的角度，如图3所示。

弯曲试验样品的尺寸如下：宽度60mm，顶面板的厚度3.0mm，底面板的厚度2.4mm，芯部厚度10mm，夹层厚度15.4mm（[eta;65] 2 /芯 / [eta;65/ 90]）和支撑件之间的距离为200mm。 在该测试期间测量力相对于挠曲（参见图4）。LS-Dyna MAT 54材料模型用于获得渐进失效能力。 对于GFRP层，从先前的拉伸试验模拟模型使用材料特性。 蜂窝芯和胶层 用MAT 54模型建模，但主要标准被选择作为有效破坏应变（EFS）（见表3），其立即将层应力减小到零。 在2.6mm的挠曲下，蜂窝芯材料的有效破坏应变在夹层结构的中间达到极限值。 在这一点上开始减小力（参见图4）。

表3. LS-Dyna材料模型MAT54的复合材料部件的故障特性

组件 DFAILM DFAILS DFAILT DFAILC EFS FBRT TSMD

GFRP 0.028 0.03 0.0172 -0.028 - 0.5 -

胶 - - - - 4.5 e-4 - 0.2

芯 - - - - 4.5e-4 - 0.2

GFRP：玻璃纤维增强塑料。

表4.GFRP [65/90]层压板的一般机械特性的比较

机械 层压板 FEA

特性 实验 理论 MAT 54

有效模量Ey（GPa） 29.3 29.05 29.0

拉伸强度sigma;y（MPa） 263.3 - 264

图三。圆柱坐标系和三点弯曲试样中的全局坐标系角度

（a）通过实验和通过FE模拟获得的力 - 挠曲曲线;

（b）胶层和芯层在不同偏转时的失效模式。

图4.夹层结构的三点弯曲试验[65] 2 /芯/ [65/90]

对于胶层和芯层，使用横向剪切最大损伤（TSMD = 0.2，见表3）系数来降低横向刚度。三点弯曲试验模拟的结果表明，首先，发生了面板和芯之间的脱粘失效，然后出现了芯的失效。蓝色区域（参见图4（b））示出了胶层和芯中的失效区域的位置和尺寸。在达到最大弯曲力之前（在2.5mm的挠曲处），可以看到胶层的显着失效区域，并且在芯材料中没有观察到失效。当偏转增加到3.0mm时，剥离面积保持恒定，但是芯发生故障。弯曲力的减小与芯失效的开始一致。具有

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