CN113343519B - 一种复合材料夹芯板抗压极限载荷计算方法 - Google Patents

一种复合材料夹芯板抗压极限载荷计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合材料夹芯板抗压极限载荷计算方法，其包括以下步骤：获取试验材料的层合结构和材料参数、计算子板的弯曲刚度、整个试验材料的中性轴总弯曲刚度和等效中间夹芯层板的弯曲刚度、计算试验材料的整体屈曲承载力Pcr和皱曲承载力Pwr、将皱曲承载力Pwr和整体屈曲承载力Pcr之间的最小值作为侧向受压承载力极限、根据侧向受压承载力极限对应的计算公式，计算出实际工程中使用的复合材料夹芯板中各结构尺寸的最优值。本发明通过定量分析得到复合材料夹芯板抗压极限荷载，定性分析来确定满足实际使用要求各尺寸的最优值，避免了凭经验主观选取复合材料夹芯板物理尺寸与材料带来的不利影响，从而使结构设计更加安全可靠。

Description

一种复合材料夹芯板抗压极限载荷计算方法
技术领域
本发明涉及结构工程复合材料技术领域，具体涉及一种复合材料夹芯板抗压极限载荷计算方法。
背景技术
随着我国经济的快速发展和技术水平的不断提高，复合材料凭借质量轻、刚度大、强度大等显著优点，已广泛应用于航空航天、船舶和建筑等领域，而采用树脂基纤维面板和泡沫或轻木芯材制备的复合夹层结构材料可以达到理想的结构性能(强度、刚度、疲劳和冲击韧性等)，具有轻质高强、耐腐蚀等特征，可部分替代钢材和混凝土制造各类结构构件，从而大幅度提高建筑、桥梁、车辆、舰船等的结构性能和使用效果，复合材料夹层结构通过增强型界面构造来提高面板与芯材之间的抗剥离和协调工作能力，并增强芯材的受剪和受压能力。有效提高了工程结构的各项性能，解决了传统结构材料不能解决的受力、功能、耐久性等工程难题，满足了工程建设多样化需求。
玄武岩纤维作为一种非人工合成的高性能无机纤维材料被广泛应用于各种建筑和结构中。玄武岩纤维的研发和产业化正处于蓬勃发展阶段，不少国内专家已处于行业发展的最前沿。玄武岩纤维在土木工程领域主要围绕玄武岩纤维短切纱增强各类混凝土，玄武岩纤维布加固补强结构，玄武岩纤维复合筋结构，玄武岩纤维土工格栅和玄武岩纤维防火隔热产品等方面的应用研究展开。
复合材料结构很多是厚度尺寸比其它两个方向尺寸小得多的平板铺层结构。复合材料铺层设计的灵活性为结构的应力计算、变形分析以及强度预测带来额外的复杂性。尽管三维有限元在连续介质力学框架内提供很好的准确性，但计算太费时，且耗费大量的计算机资源，难以在规定的设计和分析时间内完成预定目标，因此迫切需要一种高效、快速的专业复合材料层合板分析方法，以缩短设计时间，降低计算成本。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种计算量小、效率高的复合材料夹芯板抗压极限载荷计算方法。
为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：
提供一种复合材料夹芯板抗压极限载荷计算方法，其包括以下步骤：
S1：选择一种复合材料夹芯板作为试验材料，并获取所选试验材料的层合结构和材料参数；
S2：将试验材料划分成三个子板，三个子板依次包括上面板、等效中间夹芯层板和下面板；
S3：根据铺层方式和材料参数，计算每个子板的弯曲刚度、整个试验材料的中性轴总弯曲刚度和等效中间夹芯层板的弯曲刚度；
S4：利用子板的弯曲刚度、中性轴总弯曲刚度和夹芯层板的弯曲刚度计算试验材料的整体屈曲承载力Pcr和皱曲承载力Pwr；
S5：将皱曲承载力Pwr和整体屈曲承载力Pcr之间的最小值作为试验材料在剪切变形下的侧向受压承载力极限；
S6：根据侧向受压承载力极限对应的计算公式，计算出实际工程中使用的复合材料夹芯板中各结构尺寸的最优值。
进一步地，步骤S4包括：
S41：将所有子板的弯曲刚度、总弯曲刚度和等效中间夹芯层板的弯曲刚度等效为一个完整板的弯曲刚度；
S42：根据上面板、等效中间夹芯层板和下面板的内力分布和欧拉屈曲应力公式和完整板的弯曲刚度，计算试验材料铰接端和固定端的整体屈曲承载力Pcr：
Figure GDA0003179010020000031
其中，S为试验材料种泡沫的抗剪刚度，A为等效中间夹芯层板的横截面积，BF为子板的弯曲刚度，BS为总弯曲刚度，L为试验材料的计算长度；
S43：计算上面板和下面板在受到因弯矩而产生的轴向压缩荷载作用下，上面板和下面板产生呈皱褶状的局部屈曲破坏的临界承载力，即皱曲承载力Pwr：
Figure GDA0003179010020000032
其中，σwr为面板部分的弯曲刚度，AF为上面板和下面板的横截面积，Kwr为上面板和下面板的皱曲系数，EC为夹芯层板的弹性模量，GC为夹芯层板的剪切模量，EF为上面板和下面板的弹性模量。
进一步地，步骤S6包括：
S61：根据实际工程需要，设计出复合材料夹芯板中各结构尺寸的范围；
S62：将各结构尺寸范围中的所有结构尺寸分别代入侧向受压承载力极限的计算公式中，计算出尺寸范围中每个尺寸对应的侧向受压承载力值；
S63：将所有的结构尺寸和对应的侧向受压承载力值输入origin软件中，输出侧向受压承载力随某一结构尺寸改变的变化规律离散曲线；
S64：利用变化规律离散曲线，在设计的结构尺寸范围内选择出最小的结构尺寸值，并确保选择出的结构尺寸值所对应的侧向受压承载力大于或等于实际工程需要的极限承载力。
本发明的有益效果为：
(1)本发明通过定量分析得到复合材料夹芯板抗压极限荷载，定性分析来确定满足实际使用要求各尺寸的最优值，形成一套通用的选取方法，避免了凭经验主观选取复合材料夹芯板物理尺寸与材料带来的不利影响，从而使结构设计更加安全可靠。
(2)本发明建立了通用的复合材料夹芯板承载力计算模型，所建立的计算方法适用于不同外蒙皮材料与不同芯层材料组合的复合材料夹芯板，如玄武岩纤维-酚醛夹芯板、硅酸钙-聚氨酯夹芯板等，解决了现有计算方法普适性不足的问题。
(3)本发明所提出的抗压极限荷载计算方法相比于试验研究更加经济、便捷；具有简便通用、快速精确、易于推广等特点。
(4)本发明所提出的复合材料夹芯板抗压极限荷载计算方法，为设计人员设计满足生产需求的复合材料夹芯板提供有力支撑，对保障建筑结构的安全可靠发挥重要作用，可带来出巨大的实际应用价值。
附图说明
图1为复合材料夹芯板抗压极限载荷计算方法的流程图。
图2为理论分析与仿真分析下面层厚度与承载力之间的关系图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，本方案的复合材料夹芯板抗压极限载荷计算方法包括以下步骤：
S1：选择一种复合材料夹芯板作为试验材料，并获取所选试验材料的层合结构和材料参数；
层合结构的铺层方式、铺层角度的不同，层合结构的整体刚度也不同，计算出来的承载力也不同。不同材料参数的差异性较大，不同产地的同一种材料参数差异性也较大。因此确定复合材料层合结构的铺层方式以及单层板的材料参数尤为重要。
S2：将试验材料划分成三个子板，三个子板依次包括上面板、等效中间夹芯层板和下面板；
S3：根据铺层方式和材料参数，计算每个子板的弯曲刚度、整个试验材料的中性轴总弯曲刚度和等效中间夹芯层板的弯曲刚度；
S4：利用子板的弯曲刚度、中性轴总弯曲刚度和夹芯层板的弯曲刚度计算试验材料的整体屈曲承载力Pcr和皱曲承载力Pwr；步骤S4包括：
S41：将所有子板的弯曲刚度、总弯曲刚度和等效中间夹芯层板的弯曲刚度等效为一个完整板的弯曲刚度；
S42：根据上面板、等效中间夹芯层板和下面板的内力分布和欧拉屈曲应力公式和完整板的弯曲刚度，计算试验材料铰接端和固定端的整体屈曲承载力Pcr：
Figure GDA0003179010020000051
其中，S为试验材料种泡沫的抗剪刚度，A为等效中间夹芯层板的横截面积，BF为子板的弯曲刚度，BS为总弯曲刚度，L为试验材料的计算长度；
S43：计算上面板和下面板在受到因弯矩而产生的轴向压缩荷载作用下，上面板和下面板产生呈皱褶状的局部屈曲破坏的临界承载力，即皱曲承载力Pwr：
Figure GDA0003179010020000052
其中，σwr为面板部分的弯曲刚度，AF为上面板和下面板的横截面积，Kwr为上面板和下面板的皱曲系数，EC为夹芯层板的弹性模量，GC为夹芯层板的剪切模量，EF为上面板和下面板的弹性模量；
S5：将皱曲承载力Pwr和整体屈曲承载力Pcr之间的最小值作为试验材料在剪切变形下的侧向受压承载力极限；
当复合材料夹芯板受侧向轴压后，其破坏模式包括面板皱屈破坏、夹层板整体屈曲破坏、夹层板的分层破坏和短柱破坏。
(1)面板皱屈破坏(面板薄，芯子压缩强度不够或板芯连接强度不够)
由于面板较薄，在受到因弯矩而产生的轴向压缩荷载作用下，薄面板可能会产生呈皱褶状的局部屈曲破坏，这种夹芯板的薄面板所特有的局部屈曲破坏。
(2)夹层板整体屈曲破坏(夹层结构厚度或芯子剪切刚度不够)
构件受压时，当材料压力达到一定值时，应力不增加，构件整体变形急速增长的现象。
(3)夹层板的分层破坏(板芯连接强度不够)
复合材料蒙皮作为弹性基体的芯层上发生局部弯曲出现皱褶，破坏取决于芯层间的胶结力。
(4)短柱破坏(夹芯板抗压强度不够)
破坏模式取决于泡沫芯的特性，压陷破坏往往使用的是高密度弹性泡沫(抗压性和致密性高)，达到分层临界荷载，泡沫能够变形与面板粘结在一起保持原有刚度，分层会导致承载力下降。
其中面板皱屈与夹层板整体屈曲破坏模式较为常见，有限元模拟结果也是这两种破坏模式。因而取皱曲承载力与整体屈曲承载力之间的小值作为考虑芯材剪切变形下的夹芯板侧向受压承载力值。
S6：根据侧向受压承载力极限对应的计算公式，计算出实际工程中使用的复合材料夹芯板中各结构尺寸的最优值；步骤S6包括：
S61：根据实际工程需要，设计出复合材料夹芯板中各结构尺寸的范围；
S62：将各结构尺寸范围中的所有结构尺寸分别代入侧向受压承载力极限的计算公式中，计算出尺寸范围中每个尺寸对应的侧向受压承载力值；
S63：将所有的结构尺寸和对应的侧向受压承载力值输入origin软件中，输出侧向受压承载力随某一结构尺寸改变的变化规律离散曲线；
S64：利用变化规律离散曲线，在设计的结构尺寸范围内选择出最小的结构尺寸值，并确保选择出的结构尺寸值所对应的侧向受压承载力大于或等于实际工程需要的极限承载力。
为了方便理解，下面采用一个具体的案例来对本发明的方法进行详细说明：本实施例的试验材料选用玄武岩纤维夹芯板。
对于玄武岩纤维夹芯板，确定复合材料层合结构的铺层方式以及单层板的材料参数；参数信息见下表1、表2和表3。
表1标准试件尺寸
Figure GDA0003179010020000071
表3改变面层厚度有限元模型尺寸信息
Figure GDA0003179010020000081
针对玄武岩纤维夹芯板，将夹芯板划分为三个子板；上外蒙皮玄武岩纤维板、下外蒙皮玄武岩纤维板和等效中间夹芯层板。计算每个子板的弯曲刚度、对整体夹芯板中性轴的弯曲刚度和夹芯层板的弯曲刚度；
计算上外蒙皮玄武岩纤维板和下外蒙皮玄武岩纤维板的弯曲刚度BF和计算整体夹芯板中性轴的总弯曲刚度和夹芯层板的弯曲刚度BS
将所有子板的弯曲刚度等效为一个完整板的弯曲刚度。考虑芯材的剪切变形，分析夹芯板的整体屈曲性能。根据面板的内力分布和欧拉屈曲应力公式，得到铰接端和固定端的屈曲理论计算公式，计算出整体屈曲承载力，计算结果如下表4所示。
表4不同厚度面层对应夹芯板承载力值
Figure GDA0003179010020000082
计算在受到因弯矩而产生的轴向压缩荷载作用下，薄面板可能会产生呈皱褶状的局部屈曲破坏的临界承载力，即皱曲承载力，由于本实施例中的玄武岩纤维夹芯板全是屈曲破坏，故无需计算。
取皱曲承载力与整体屈曲承载力之间的小值作为考虑芯材剪切变形下的夹芯板侧向受压承载力值。计算结果如下表5所示。
表5改变面层厚度有限元模型计算结果
Figure GDA0003179010020000091
根据侧向受压承载力极限对应的计算公式，计算出实际工程中使用的玄武岩纤维夹芯板中各结构尺寸的最优值。
将不同面层厚度输入origin软件中，通过有限元计算结果见下表6所示；改变面层厚度对侧向受压承载力值的影响见图2所示。
表6不同面层厚度对应的侧向受压承载力值
Figure GDA0003179010020000092
根据实际需要，面层厚度一般取为3.75mm、5.00mm、6.25mm和7.50mm。面层厚度为3.75mm、5.00mm和6.25mm在理论分析与有限元分析值较为接近，对设计玄武岩夹芯墙板有一定的参考作用。同时考虑施工的便利与经济因素，统一采用厚度为5.00mm的面层。
本发明通过定量分析得到复合材料夹芯板抗压极限荷载，定性分析来确定满足实际使用要求各尺寸的最优值，形成一套通用的选取方法，避免了凭经验主观选取复合材料夹芯板物理尺寸与材料带来的不利影响，从而使结构设计更加安全可靠。
本发明建立了通用的复合材料夹芯板承载力计算模型，所建立的计算方法适用于不同外蒙皮材料与不同芯层材料组合的复合材料夹芯板，如玄武岩纤维-酚醛夹芯板、硅酸钙-聚氨酯夹芯板等，解决了现有计算方法普适性不足的问题。
本发明所提出的抗压极限荷载计算方法相比于试验研究更加经济、便捷；具有简便通用、快速精确、易于推广等特点。
本发明所提出的复合材料夹芯板抗压极限荷载计算方法，为设计人员设计满足生产需求的复合材料夹芯板提供有力支撑，对保障建筑结构的安全可靠发挥重要作用，可带来出巨大的实际应用价值。

Claims (1)

1.一种复合材料夹芯板抗压极限载荷计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：选择一种复合材料夹芯板作为试验材料，并获取所选试验材料的层合结构和材料参数；
S2：将试验材料划分成三个子板，三个子板依次包括上面板、等效中间夹芯层板和下面板；
S3：根据铺层方式和材料参数，计算每个子板的弯曲刚度、整个试验材料的中性轴总弯曲刚度和等效中间夹芯层板的弯曲刚度；
S4：利用子板的弯曲刚度、中性轴总弯曲刚度和夹芯层板的弯曲刚度计算试验材料的整体屈曲承载力Pcr和皱曲承载力Pwr；
步骤S4包括：
S41：将所有子板的弯曲刚度、总弯曲刚度和等效中间夹芯层板的弯曲刚度等效为一个完整板的弯曲刚度；
S42：根据上面板、等效中间夹芯层板和下面板的内力分布和欧拉屈曲应力公式和完整板的弯曲刚度，计算试验材料铰接端和固定端的整体屈曲承载力Pcr：
Figure FDA0003765632070000011
其中，S为试验材料种泡沫的抗剪刚度，A为等效中间夹芯层板的横截面积，BF为子板的弯曲刚度，BS为总弯曲刚度，L为试验材料的计算长度；
S43：计算上面板和下面板在受到因弯矩而产生的轴向压缩荷载作用下，上面板和下面板产生呈皱褶状的局部屈曲破坏的临界承载力，即皱曲承载力Pwr：
Figure FDA0003765632070000012
其中，σwr为面板部分的弯曲刚度，AF为上面板和下面板的横截面积，Kwr为上面板和下面板的皱曲系数，EC为夹芯层板的弹性模量，GC为夹芯层板的剪切模量，EF为上面板和下面板的弹性模量；
S5：将皱曲承载力Pwr和整体屈曲承载力Pcr之间的最小值作为试验材料在剪切变形下的侧向受压承载力极限；
S6：根据侧向受压承载力极限对应的计算公式，计算出实际工程中使用的复合材料夹芯板中各结构尺寸的最优值：
步骤S6包括：
S61：根据实际工程需要，设计出复合材料夹芯板中各结构尺寸的范围；
S62：将各结构尺寸范围中的所有结构尺寸分别代入侧向受压承载力极限的计算公式中，计算出尺寸范围中每个尺寸对应的侧向受压承载力值；
S63：将所有的结构尺寸和对应的侧向受压承载力值输入origin软件中，输出侧向受压承载力随某一结构尺寸改变的变化规律离散曲线；
S64：利用变化规律离散曲线，在设计的结构尺寸范围内选择出最小的结构尺寸值，并确保选择出的结构尺寸值所对应的侧向受压承载力大于或等于实际工程需要的极限承载力。
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