碳纤维复合材料铺层对应力集中的影响

首先统一两个概念:应力和应力集中。

应力

所谓应力,就是部件在外力作用下发生变形,部件内部由于变形,各部分发生位置的相对变化,从而引起内部产生相互作用力,这个相互作用力,就是内力。虽然我们知道,部件不受外力的时候,内部各个点之间也有相互吸引和互斥的力,但是这里的内力,指的是外力作用下引起的内部作用力,是附加内力。而应力,则是内力在截面积上的分布,是内力分布程度的度量。同时外力的涵义也可以进行延伸,不仅仅是传统意义上的力,甚至是温度变化也可能等效于外力作用,所引起的内力就称为热应力。

所谓应力集中,就是外力作用产生的内力,在部件内部分布产生了聚集。本来对于均匀材质的部件,应力是在截面上均匀分布的(下图a)。但是如果部件有一个小孔(下图b),本来均匀分布在截面上的应力,聚集在小孔周围。这种现象叫应力集中。距离小孔越近,应力集中度越高,,距离小孔越远,应力集中度越低。这种应力的分布不均匀,会造成应力集中的部位,较早的触及材料强度的极限。作为木桶上最短的一块木板,应力集中区域在外力还不算太大的时候产生破坏。

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研究应力集中现象,是为了避免应力集中,或者是将应力集中对部件的破坏效应降低到最低。内容就是,研究各种因素对应力集中的程度,会有什么样的影响。不过在这之前,要对应力集中的程度进行一个定义。

应力集中的程度

应力集中地程度可以用应力集中系数来表示。

现在闭上眼睛,思考应力和应力集中的定义。应力是作为外力的响应,从而在部件内部产生的内力,它的大小跟外力有关,外力越大,变形越大,产生的应力也就越大。而应力跟截面积也有关系,截面积越大,单位面积上的内力就越小,应力也越小。为了使部件达到平衡,截面积上的应力之和,应该等于外力,方向与外力方向相反。

也就是说,在相同的外力下,应力的总和是相同的。应力集中只是是改变了应力的分布,靠近小孔的区域应力高于平均值,那么远离小孔的区域应力就会低于平均值,最终之和是固定的。只不过在各个区域,应力的分布有了差异。

所以应力集中系数,应该反映应力分布差异的大小。如果已经理解了上面的文字,那么写下下面的公式,相信就不难理解了。这里的σ∞是远离小孔处的应力,σmax为小孔附近最大应力数值。而d为小孔半径,B为含有小孔的部件宽度,他们的比值越小,应力集中系数越大。

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不同开口尺寸的应力分布

部件内小孔的尺寸会显著影响应力集中系数。使得应力集中区域的应力分布随着开口尺寸相对构件尺寸的增大具有不同的变化规律。这造成复合材料对缺口的敏感性取决于孔的尺寸。

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铺层对应力集中的影响

碳纤维复合材料铺层情况对应力集中的程度有着不同的影响。下图给出了不同铺层情况下的应力集中情况。基本结论就是:0°铺层越多,应力集中越严重,±45°铺层起到降低应力集中的作用。

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事实上,带缺口层合板的拉伸强度与铺层关系相当复杂。由于缺口尖端的层劈裂和分层等损伤形态的组合,会降低应力集中,从而提高层合板的剩余强度。

应力集中对碳纤维复合材料静强度的影响

碳纤维复合材料与金属材料变现的性能差异比较大。对于金属材料来讲,应力集中达到屈服强度时,会产生松弛现象,可以缓解应力集中。而碳纤维复合材料属于脆性材料,几乎不存在塑性变形,所以不会产生局部松弛现象缓解应力集中。所以,一旦应急集中达到极限强度时,就会使纤维断裂。因此,应力集中会对碳纤维复合材料强度造成显著的降低作用。

所以,碳纤维复合材料结构设计过程中,应注意产生应力集中的细节,避免出现尖锐的变形。如果有变形,应该进行缓慢过度,或者增加倒圆角,缓解应力集中。

在静强度验证中,应力集中是一个值得特别注意的地方,所有进行形状变换和打孔的地方,都要进行应力集中分析,避免这些细节产生严重的安全问题。

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