張弛

1試驗(yàn)內(nèi)容

１．１試驗(yàn)件

試驗(yàn)件由上下兩塊壁板及后緣壓板組成，上下壁板結(jié)構(gòu)相同，均為泡沫夾層結(jié)構(gòu)。后緣通過縫合方式連接，如圖1所示。

圖 1縫合后緣試驗(yàn)件

１．２加載要求

后緣拉脫強(qiáng)度試驗(yàn)加載時(shí)對(duì)壁板前端的一端進(jìn)行約束，另一端加載，后緣剪切試驗(yàn)加載時(shí)對(duì)壁板前端的一端進(jìn)行約束，另一端夾持加載，加載示意圖見圖2。

圖 2拉脫、接剪切強(qiáng)度試驗(yàn)加載示意圖

２實(shí)施方案

2.1試驗(yàn)夾持方案與夾具

拉脫試驗(yàn)夾持方案與夾具示意圖見圖3。

夾具與試驗(yàn)件通過機(jī)械或膠接連接，試驗(yàn)中保持上下加載端在同一平面內(nèi)。夾具設(shè)計(jì)要求具有足夠的剛度和強(qiáng)度，以確保試驗(yàn)件載荷施加符合試驗(yàn)要求。

試驗(yàn)夾具為對(duì)稱的上下兩件，由于加載方式不同，分別設(shè)計(jì)兩套不同加載方案，如圖3所示。

圖 3拉脫試驗(yàn)夾持方案與夾具示意圖

剪切試驗(yàn)方案與夾具示意圖見圖4。試驗(yàn)時(shí)將試驗(yàn)件固定在夾具中，加載時(shí)要保證兩端載荷在一條直線上。試驗(yàn)夾具要求具有足夠剛度和強(qiáng)度，以保證試驗(yàn)載荷施加的合理性和試驗(yàn)順利進(jìn)行。

圖 4剪切試驗(yàn)方案與夾具示意圖

2.2加載程序與應(yīng)變測(cè)量

２．２．１加載程序

在將試驗(yàn)件固定在夾具并與試驗(yàn)機(jī)連接后，對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行分級(jí)加載，試驗(yàn)加載速度均為2mm/min。試驗(yàn)分三個(gè)階段進(jìn)行加載：

第一階段加載：加0％～30％的預(yù)估極限載荷停機(jī)，檢查試驗(yàn)件的受力情況、夾具與試驗(yàn)件以及與設(shè)備連接狀態(tài)、試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行情況、應(yīng)變測(cè)量以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等的工作是否正常；記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，然后卸載，卸載后不允許試驗(yàn)件有永久的變形情況；

第二階段加載：重復(fù)加0％～30％的極限載荷，要求試件相關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)與第一次加載試驗(yàn)具有可重復(fù)性。

第三階段加載：加載至極限載荷，記錄測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拍照和錄像。觀察確定試驗(yàn)中試驗(yàn)件初始破壞載荷和破壞模式，以及最終破壞載荷和破壞模式。

分段加載中需要根據(jù)極限載荷方可確定加載比例。在試驗(yàn)前未知極限載荷情況下，可根據(jù)初步估算值確定。每組實(shí)驗(yàn)至少分10段加載。

為試驗(yàn)中細(xì)致觀察應(yīng)變數(shù)據(jù)變化，同時(shí)聽聲音確定初始破壞，觀察確定初始破壞模式。試驗(yàn)施加最大載荷為試驗(yàn)件極限承載能力，其對(duì)應(yīng)的破壞模式為最終破壞模式。

２．２．２應(yīng)變測(cè)量

1）應(yīng)變計(jì)基本布局

試件布置的應(yīng)變計(jì)分布在試驗(yàn)件夾持端和經(jīng)計(jì)算分析確定的應(yīng)力集中處，以確定加載的載荷分布的合理性，同時(shí)可以確定結(jié)構(gòu)破壞載荷。

2）應(yīng)變測(cè)量要求

a. 測(cè)量與記錄每一級(jí)載荷下的應(yīng)變變化；

b. 通過應(yīng)變測(cè)量確定試驗(yàn)件初始破壞和相應(yīng)位置；

c．測(cè)量試驗(yàn)件在許用載荷作用下的應(yīng)變狀態(tài)，通過應(yīng)變與載荷測(cè)量確定試驗(yàn)件的破壞載荷，以及破壞時(shí)的應(yīng)變狀態(tài)。

3數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

3.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)

通過載荷與應(yīng)變測(cè)量可以直接得到載荷-位移曲線，由載荷位移曲線可分析試驗(yàn)件變形與載荷變化，得到試驗(yàn)件的初始破壞載荷和最終破壞載荷的等；試驗(yàn)中得到多條載荷-應(yīng)變曲線，通過對(duì)載荷-應(yīng)變曲線輔助分析可以獲得試件起始破壞位置和破壞形式，進(jìn)一步可分析對(duì)結(jié)構(gòu)性能影響。

3.2試驗(yàn)結(jié)果及分析

３．２．１有限元模型

試驗(yàn)件有限元模型沿展向取一段，如圖5所示。

根據(jù)試驗(yàn)件的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)其不同的部位賦予不同的材料、截面屬性和單元類型。對(duì)于復(fù)合材料層板部分（對(duì)應(yīng)于圖5中的灰白色部分），賦予其復(fù)合材料的參數(shù)，這里所采用的復(fù)合材料為NCF布，其材料性能按所提供的數(shù)據(jù)輸入有限元模型中，鋪層同試驗(yàn)件CATIA模型中給出的鋪層。這里對(duì)復(fù)合材料面板進(jìn)行模擬采用的是ABAQUS中的八節(jié)點(diǎn)連續(xù)殼單元SC8R。對(duì)于試驗(yàn)件中的泡沫夾層部分、夾持端玻璃鋼部分和后緣金屬壓板部分（分別對(duì)應(yīng)于圖5中的紅色、藍(lán)色和綠色部分），分別賦予其各向同性的泡沫、玻璃鋼和鋁的材料屬性，并且有限元模型中采用三維實(shí)體單元對(duì)這三部分進(jìn)行模擬。

由于試驗(yàn)件上下部分之間的界面是試驗(yàn)過程中重要的潛在破壞位置，因此需要重點(diǎn)對(duì)此處加以考慮。這里模型中采用ABAQUS中的界面單元進(jìn)行模擬，界面單元的材料采用了Traction-Separation本構(gòu)關(guān)系，該本構(gòu)關(guān)系可用式(1)表示：

t■t■t■=K■K■K■?著■?著■?著■(1)

式(1)右端為界面單元的3個(gè)作用力：法向正應(yīng)力t■、切向剪應(yīng)力t■和t■，K■(i=n,s,t)為界面單元模型中三個(gè)應(yīng)力所對(duì)應(yīng)的剛度系數(shù)。?著■(i=n,s,t)為界面單元模型的三個(gè)應(yīng)變，假設(shè)界面厚度為T■，則

?著■=■,?著■=■,?著■=■(2)

式(2)中，?啄■(i=n,s,t)為界面單元模型三個(gè)方向上的變形。

圖5有限元模型

３．２．２載荷與邊界條件

為了方便地在端部施加載荷或邊界條件，將試驗(yàn)件上下兩部分的端面分別同一個(gè)參考點(diǎn)耦合起來，這里使用了ABAQUS中的Coupling功能。在耦合時(shí)，將端面的六個(gè)自由度都同所對(duì)應(yīng)的參考點(diǎn)耦合起來。

對(duì)試驗(yàn)件有限元模型在拉脫和剪切兩種試驗(yàn)條件下施加載荷與邊界條件進(jìn)行分析。

拉脫試驗(yàn)，確定展向?yàn)閤方向，弦向?yàn)閥方向。對(duì)固定一端（下端）端面施加的邊界條件為約束除繞x方向的轉(zhuǎn)動(dòng)之外的所有自由度；對(duì)加載一端（上端）端面施加的邊界條件為約束x、y方向的平動(dòng)和繞y、z方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)沿z的正方向施加一定的位移，同時(shí)輸出對(duì)應(yīng)于此的支反力以查看對(duì)應(yīng)的載荷大小。

對(duì)于剪切試驗(yàn)，施加邊界條件時(shí)分別建立了對(duì)應(yīng)于兩端面板的坐標(biāo)系，其中坐標(biāo)系的x方向?yàn)檎瓜颍瑈方向?yàn)楸诎迤矫鎯?nèi)垂直于x的方向，z方向垂直于面板。固定一端（受壓一端）端面邊界條件為固支，同時(shí)這一端的外部面板限制沿垂直于面板的位移；加載一端（受拉一端）端面邊界條件為在對(duì)應(yīng)于這一端面板的坐標(biāo)系下約束除y方向的平動(dòng)之外的所有自由度，并在在y方向上施加一定的位移，同時(shí)輸出對(duì)應(yīng)于此的支反力以查看對(duì)應(yīng)的載荷大小。

３．２．３有限元分析結(jié)果

（1）拉脫試驗(yàn)有限元分析結(jié)果

由應(yīng)力云圖可以看到，上下兩部分對(duì)稱面在所形成缺口尖端處應(yīng)力集中，此處為拉脫試驗(yàn)破壞應(yīng)考慮的危險(xiǎn)部位之一。如試驗(yàn)件上下兩部分之間界面之間的應(yīng)力云圖所示，拉脫試驗(yàn)條件下對(duì)稱界面應(yīng)力在缺口尖端處最大。從泡沫夾層應(yīng)力圖中可以看到，在上下兩懸臂的的夾層泡沫部分存在較大應(yīng)力，因此泡沫夾層也是拉脫試驗(yàn)破壞應(yīng)考慮的危險(xiǎn)部位之一。

圖 6拉脫試驗(yàn)有限元分析結(jié)果

（2）剪切試驗(yàn)有限元分析結(jié)果

由應(yīng)力云圖可以看到，上下兩部分對(duì)稱面在所形成缺口尖端處應(yīng)力集中，此處為剪切試驗(yàn)破壞應(yīng)考慮的危險(xiǎn)部位之一。試驗(yàn)件上下兩部分之間界面之間的應(yīng)力云圖所示，剪切試驗(yàn)條件下對(duì)稱界面應(yīng)力在缺口尖端處最大，但同拉脫試驗(yàn)相比，分別在模型所加載荷條件下，對(duì)應(yīng)于剪切試驗(yàn)的界面的應(yīng)力水平要明顯低于拉脫試驗(yàn)，各分量的情況同樣如此。由泡沫夾層應(yīng)力云圖可以看到泡沫夾層中靠近后緣尖端部位為應(yīng)力較大的部位，同時(shí)在靠近缺口部位的泡沫應(yīng)力也較大，不過也與泡沫強(qiáng)度相差較大。

圖7剪切試驗(yàn)有限元分析結(jié)果

４結(jié)論

通過有限元模型的計(jì)算結(jié)果，初步分析了各類試驗(yàn)中可能發(fā)生破壞的危險(xiǎn)部位。對(duì)于拉脫試驗(yàn)還是剪切試驗(yàn)，需重點(diǎn)關(guān)注上下部位之間的對(duì)稱面，而泡沫夾層可能是決定試驗(yàn)件最終破壞的部位。

［責(zé)任編輯：張濤］201210）