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复合材料设计时详细尺寸(计算机程序)设计

嘉峪检测网        2022-11-24 15:01

市场上有几种层压板计算机程序可供选择,其中较简单的程序采用“经典层压板理论”方法,该方法是通过点应力分析和失效标准的选择给出的。用户输入包括材料数据库(铺层工程特性)、铺层配置、载荷和环境条件(工作温度和湿度)。这样的程序相对便宜,大约从100美元到500美元不等。
 
或者,也可以在Excel、MathCAD或Matlab等上开发自己的程序。在这里使用了一个名为GENLAM的相当老的程序(基于DOS系统),因为它在一个简单的可读文件中提供了大量的输出。
 
引用此前的示例,E玻璃纤维/环氧树脂层压板中所需的刚度比(Edesign/Eply)为0.6,建议在[0,±45,90]中叠层的百分比为[50/30/20]。如果设计应变约为4000µ应变(0.4%),且层压结构为[±45,02,90,02,±45,002,90]s,则所得分析结果如下:
 
工程刚度矩阵(A、B、D)为:
 

 
从中我们可以看出,当0度层数多于90度层数时,A11(26.689 GPa)要比A22(16.431 GPa)大得多;当A16 = A26 = 0时,层合板在平面内平衡,+45度层和-45度层的比例相等;当拉伸/弯曲耦合刚度矩阵[B] = 0时,层合板具有背板对称性。还要注意的是,弯曲刚度矩阵[D]的大小与平面内刚度矩阵[A]相似,并且在弯曲时层压板只会轻微扭曲,因为D16=D26=0.401 GPa与D11=25.601 GPa相比较小。
 
然后将这些关系计算为平面内模量、泊松比、CTE、水分膨胀系数和抗弯刚度模量的工程特性:
 
平面内工程常数:
 
 
弯曲工程常数
 
我们注意到,基于Eply = 40 GPa,因此设计刚度Edesign = 24 GPa,已达到所需刚度。
 
结果文件中也给出了设计荷载和应力:
 

 
这表明最终失效的安全系数(基于铺层纤维方向拉伸强度为1060 MPa)为FS = 8.3。该程序根据选定的失效标准计算每层的FS。在这种情况下,选择了二次失效标准,第一层和最终失效FS结果如下:
 
 
这表明,层压板在刚超过施加载荷一半的情况下开始在基体中开裂,但在最终断裂之前可以承受5倍的载荷。该程序还建议了哪些层最先失效以及渐进失效模式。
 
基于这些简单的程序,我们可以开发层压板设计的点应力/应变和工程特性。未来的工作将关注结构构件(梁和板)的细节,以及关注结构细节的其他程序。
 
 

 
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