基于纤维增强复合材料的悬臂梁屈曲分析

刊名：Composite Structures（英）

刊期：2015年第122期

作者：Chun Wee Yap et al

编译：陈丁跃

为在汽车行业应用纤维增强复合材料，则需要对易发生分层的纤维增强复合材料进行屈曲分析，即确定屈曲载荷。以悬臂梁为例，建立了悬臂梁发生分层时临界载荷的数学模型，并使用纤维增强复合材料制造了一个悬臂梁样品，通过试验对所建模型进行了验证。

介绍了经典的层合板理论，并作出3种不同的假设。假设1：相比于悬臂梁的长度，悬臂梁的横截面尺寸非常小、材料为线弹性且挠度较小。假设2：悬臂梁上点的挠度只取决于该点在悬臂梁纵向上的位置，与该点在横向和垂向上的位置无关。假设3：悬臂梁上点的挠度只取决于该点在悬臂梁纵向和垂向上的位置，与该点在横向上的位置无关。针对每种假设，基于断裂力学模型分别给出了计算纤维增强复合材料悬臂梁屈曲载荷的数学模型。数学模型包含了边界条件、力平衡方程、力矩平衡方程以及运动特性在内的18个方程。通过试验对所建数学模型进行验证。纤维增强复合材料悬臂梁采用碳纤维/环氧树脂、硼/环氧树脂和E-玻璃纤维/环氧树脂3种正交异性材料进行制造。3种材料构成不同的纤维层，所制造悬臂梁共包含16层，尺寸为140mm×20mm×2mm。其中，有效长度为100mm，多余的40mm方便测试夹持。冲击试验采用Instron 5565冲击试验机，分别对完整的和发生分层的悬臂梁进行冲击试验。结果发现，试验得到的屈曲载荷与所建模型计算得到的结果一致，因而可用建立的模型进行纤维增强复合材料屈曲载荷的计算。