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碳纖維復(fù)合材料鋪層對應(yīng)力集中的影響

2018-11-07 11:30:56 作者：沐咫來源：碳纖維研習(xí)社分享至：

首先統(tǒng)一兩個概念：應(yīng)力和應(yīng)力集中。

所謂應(yīng)力，就是部件在外力作用下發(fā)生變形，部件內(nèi)部由于變形，各部分發(fā)生位置的相對變化，從而引起內(nèi)部產(chǎn)生相互作用力，這個相互作用力，就是內(nèi)力。雖然我們知道，部件不受外力的時候，內(nèi)部各個點之間也有相互吸引和互斥的力，但是這里的內(nèi)力，指的是外力作用下引起的內(nèi)部作用力，是附加內(nèi)力。而應(yīng)力，則是內(nèi)力在截面積上的分布，是內(nèi)力分布程度的度量。同時外力的涵義也可以進行延伸，不僅僅是傳統(tǒng)意義上的力，甚至是溫度變化也可能等效于外力作用，所引起的內(nèi)力就稱為熱應(yīng)力。

所謂應(yīng)力集中，就是外力作用產(chǎn)生的內(nèi)力，在部件內(nèi)部分布產(chǎn)生了聚集。本來對于均勻材質(zhì)的部件，應(yīng)力是在截面上均勻分布的（下圖a）。但是如果部件有一個小孔（下圖b），本來均勻分布在截面上的應(yīng)力，聚集在小孔周圍。這種現(xiàn)象叫應(yīng)力集中。距離小孔越近，應(yīng)力集中度越高，距離小孔越遠，應(yīng)力集中度越低。這種應(yīng)力的分布不均勻，會造成應(yīng)力集中的部位，較早的觸及材料強度的極限。作為木桶上最短的一塊木板，應(yīng)力集中區(qū)域在外力還不算太大的時候產(chǎn)生破壞。

研究應(yīng)力集中現(xiàn)象，是為了避免應(yīng)力集中，或者是將應(yīng)力集中對部件的破壞效應(yīng)降低到最低。內(nèi)容就是，研究各種因素對應(yīng)力集中的程度，會有什么樣的影響。不過在這之前，要對應(yīng)力集中的程度進行一個定義。

應(yīng)力集中的程度

應(yīng)力集中地程度可以用應(yīng)力集中系數(shù)來表示。

現(xiàn)在閉上眼睛，思考應(yīng)力和應(yīng)力集中的定義。應(yīng)力是作為外力的響應(yīng)，從而在部件內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)力，它的大小跟外力有關(guān)，外力越大，變形越大，產(chǎn)生的應(yīng)力也就越大。而應(yīng)力跟截面積也有關(guān)系，截面積越大，單位面積上的內(nèi)力就越小，應(yīng)力也越小。為了使部件達到平衡，截面積上的應(yīng)力之和，應(yīng)該等于外力，方向與外力方向相反。

也就是說，在相同的外力下，應(yīng)力的總和是相同的。應(yīng)力集中只是是改變了應(yīng)力的分布，靠近小孔的區(qū)域應(yīng)力高于平均值，那么遠離小孔的區(qū)域應(yīng)力就會低于平均值，最終之和是固定的。只不過在各個區(qū)域，應(yīng)力的分布有了差異。

所以應(yīng)力集中系數(shù)，應(yīng)該反映應(yīng)力分布差異的大小。如果已經(jīng)理解了上面的文字，那么寫下下面的公式，相信就不難理解了。這里的σ∞是遠離小孔處的應(yīng)力，σmax為小孔附近最大應(yīng)力數(shù)值。而d為小孔半徑，B為含有小孔的部件寬度，他們的比值越小，應(yīng)力集中系數(shù)越大。

Kt越大，代表應(yīng)力集中程度越大，Kt越小，代表應(yīng)力集中程度越小。

不同開口尺寸的應(yīng)力分布

部件內(nèi)小孔的尺寸會顯著影響應(yīng)力集中系數(shù)。使得應(yīng)力集中區(qū)域的應(yīng)力分布隨著開口尺寸相對構(gòu)件尺寸的增大具有不同的變化規(guī)律。這造成復(fù)合材料對缺口的敏感性取決于孔的尺寸。

鋪層對應(yīng)力集中的影響

碳纖維復(fù)合材料鋪層情況對應(yīng)力集中的程度有著不同的影響。下圖給出了不同鋪層情況下的應(yīng)力集中情況。基本結(jié)論就是：0°鋪層越多，應(yīng)力集中越嚴重，±45°鋪層起到降低應(yīng)力集中的作用。

事實上，帶缺口層合板的拉伸強度與鋪層關(guān)系相當復(fù)雜。由于缺口尖端的層劈裂和分層等損傷形態(tài)的組合，會降低應(yīng)力集中，從而提高層合板的剩余強度。

應(yīng)力集中對碳纖維復(fù)合材料靜強度的影響

碳纖維復(fù)合材料與金屬材料變現(xiàn)的性能差異比較大。對于金屬材料來講，應(yīng)力集中達到屈服強度時，會產(chǎn)生松弛現(xiàn)象，可以緩解應(yīng)力集中。而碳纖維復(fù)合材料屬于脆性材料，幾乎不存在塑性變形，所以不會產(chǎn)生局部松弛現(xiàn)象緩解應(yīng)力集中。所以，一旦應(yīng)急集中達到極限強度時，就會使纖維斷裂。因此，應(yīng)力集中會對碳纖維復(fù)合材料強度造成顯著的降低作用。

所以，碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，應(yīng)注意產(chǎn)生應(yīng)力集中的細節(jié)，避免出現(xiàn)尖銳的變形。如果有變形，應(yīng)該進行緩慢過度，或者增加倒圓角，緩解應(yīng)力集中。

在靜強度驗證中，應(yīng)力集中是一個值得特別注意的地方，所有進行形狀變換和打孔的地方，都要進行應(yīng)力集中分析，避免這些細節(jié)產(chǎn)生嚴重的安全問題。

參考資料：

《復(fù)合材料飛機結(jié)構(gòu)合格審定》馮振宇

復(fù)合材料機械連接層合板孔邊應(yīng)力集中研究鄭潔

復(fù)合材料板孔邊應(yīng)力場的有限元分析李成

復(fù)合材料結(jié)構(gòu)干涉研究廖海浪

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