考虑曲线铺丝制造缺陷的单层板力学性能分析

刘亚沣¹，郑 重²，吴德财¹

(1. 中国商飞复合材料中心，上海 201210）

(2. 大连理工大学工程力学系，辽宁 大连 116024)

作者简介：刘亚沣（1989—），男，工程师，硕士，主要研究方向为复合材料结构设计，liuyafeng@comac.cc.

摘要：以铺层方式为［<0|45>］8的曲线铺丝变刚度单层板为例，对比分析了含重叠单元的单层板模型与不含重叠单元的理想单层板模型的承载能力和失效区域分布。结果发现，在重叠单元面积仅占总面积4.98%的情况下，与理想单层板模型相比，其屈曲载荷提高了13.1%，极限载荷提高了3.0%。此外，两种模型在压缩工况下失效区域有较为明显的区别，这表明制造因素导致的丝束重叠缺陷会使得单层板的损伤分布与理想模型有一定的差异。

关键词：曲线铺丝；复合材料；失效分析；制造缺陷

中图分类号：V214.19       文献标识码：A      文章编号：2095-509X(2021)06-0071-04

复合材料因其优越的力学性能而被广泛用于多个制造领域，尤其是在航空工业领域中，复合材料所具有的高比强度、高比刚度能很好地满足航空工业对结构轻量化的需求。传统复合材料层合板在设计时采用了直线铺丝方式，这种设计方式并不能完全发挥出层合板的方向性优势，并限制了设计的自由度^［1］。

随着自动铺丝技术(automatic fiber placement, AFP)的发展，目前已经能够通过调节每路丝束的铺放速率进行曲线铺丝，从而达到变刚度制造的目的^［2］。国外学者Gürdal、Jegley等^［3-4］和国内学者马洪涛、马永前等^［5-6］的研究结果已经证明变刚度复合材料结构能有效提升层合板的屈曲载荷。Lopes等^［7］证明了变刚度层合板相比于常刚度板具有更高的屈曲载荷和首层失效荷载；杜宇等^［8-9］通过有限元分析和实验证明了变刚度板具有更高的失效载荷。然而上述文献并没有考虑制造缺陷的影响，而制造缺陷会使得变刚度层合板的承载和损伤问题更加复杂。本文将以重叠铺放方式为例，在有限元分析模型中引入重叠缺陷，研究重叠缺陷对单层板力学行为的影响。