第36卷第6期2020年12月
电4机械，打
E lectro-M echanical Engineering•制造工艺•
D O I: 10.19659/j.issn.l008-5300.2020.06.012
基于Hyper W orks的不同铺层方式复合材料
剪切强度有限元分析+
马玉钦、陈义\许威\任晓雨2，靳浩\李开府\王杰\赵亚涛\李飞1
(1.西安电子科技大学机电工程学院，陕西西安n o o n;
2.陕西职业技术学院汽车工程与通用航空学院，陕西西安710038)
摘要：剪切强度和剪切韧性是反映复合材料构件在复合受力状态下承载能力及耗能能力的重要指标，不同 铺层方式的单向玻璃纤维与短切玻璃纤维混杂增强复合材料层合板的层间剪切性能有明显差异。文中基于 HyperWorks商用有限元软件建立了精确的复合材料层合板模型，通过数值模拟分析不同铺层方式
复合材料层 合板的层间剪切性能。研究结果表明，铺层材料对复合材料层合板的层间剪切性能影响较大，而铺层顺序对复 合材料层合板的层间剪切性能影响较小。
关键词：复合材料；铺层方式；层间剪切强度；有限元分析
中图分类号：TB381 文献标识码：A文章编号：1008-5300(2020)06-0050-04
骆驼祥子阮明
F in ite E lem en t A n alysis o f Shear S tren gth o f C om p osite w ith
D ifferent L am inate M eth od s B ad on H yperW orks
M A Yuqin1, CH EN Y i1, X U W ei1, R EN X iaoyu2, JIN H ao1, LI K aifu1,
W ANG Jie1, ZHAO Y atao1, LI Fei1
(1.School of Mechano-Electronic Engineering,Xidian University,Xi'an710071, China-,2.School of Automotive Engineering and General Aviation,Shanxi Vocational and Technical College,Xi'an710038, China)
A bstract: Shear strength and shear toughness are important indexes to reflect the bearing capacity
and energy dissipation capacity of composite components under complex stress condition.The interlaminar shear properties of composite laminates reinforced by unidirectional glass fiber and short-cut glass fiber hybrid with different laminate methods are significantly different.Bad on the HyperWorks commercial finite element software,an accurate composite laminate model is established and the interlaminar shear properties of composite laminates with different laminate modes are numerically analyzed in this paper.The results show that the interlaminar shear strength of the composite laminates is greatly affected by the lay-up materials but less affected by the lay-up quence.
K ey words: composite;laminate method;interlaminar shear strength;finite element analysis
引言
玻璃纤维具有拉伸强度高、防火、防霉、耐高 温、电绝缘性好等一系列优异的性能，是目前使用量 最大的一种增强纤维[1_3]。受测试条件和测试方法等 的限制，在进行复合材料力学性能测试时，剪切性能 是最难进行测试的。鲁滨逊漂流记创作背景
在过去几十年里，研究者们发展的剪切试验方法有几十种，如45°拉伸法、V开口轨道法、Iosipescu 法、短梁剪切法等[14]。双切口剪切强度试验法是测 量复合材料层合板层间剪切强度的一种有效方法，
被广泛应用于表征纤维增强树脂基复合材料的层间失效 强度测试方面。文献[5]研宄了厚度不超过8.5 m m的复合材料层合板在面外加载下的损伤特征；文献[6]进行了玻璃纤维增强树脂复合材料层合板的纵向和横
*收稿日期：2020-08-20
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51705389)；教育部产学合作协同育人项目（201902004016)；中国博士后科 学基金资助项目（2017M613062)；西安电子科技大学新实验开发和新实验设备研制项目（SY1954)；西安
电子科技大学研究生创新基金资助项目（5004-20109195867)；西安电子科会大学研究生创新基金资助项目
(5004-20109205867)
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第36卷第6期马玉钦，等：基于HyperWorks的不同铺层方式复合材料剪切强度有限元分析•制造工艺•
向剪切失效的试验研宄，得到了相应的剪切模量和剪 切强度；文献[7]利用回收的再生碳纤维复合材料进 行4种层间剪切试验方法，结果发现，剪切行为取决 于再生纤维复合材料的内部纤维结构。
由于复合材料剪切试验受诸多试验条件的限制，因此许多学者也利用有限元分析方法对其进行数值模 拟计算。文献[8]基于逐渐损伤失效分析方法对复合 材料开孔加筋壁板进行了有限元应力分析，计算得到 壁板的最终失效载荷试验值误差为12.3%；文献[9] 对复合材料层合板在纯剪切情况下的稳定性进行了 数值模拟研宄，结果发现层合板的屈曲模式和屈曲临 界载荷与分层直径密切相关；文献[10]编写了基于 Puck失效准则的VUMAT子程序，对复合材料层合 板横向剪切性能进行了数值预测和渐进失效分析，其 结果表明，分析模型能较好地预测复合材料层合板剪 切试验的力学响应和破坏模式。
本文利用有限元分析软件，基于双切口拉伸剪切 试验法研宄玻璃纤维增强树脂基复合材料层合板的层 间剪切强度与铺层材料以及铺层顺序之间的关系，为 不同增强材料树脂基复合材料的混杂方式和性能研宄 提供指导。
ICATIA^I入模型1
称呼英文
I修复模型^抽取中面I
|设计各个t l y层参数|
|创建 Laminat^l
|添加边界条件、载荷工况|
|导出求文件|
|求解器导入求解文件|
~~叫初始i增量|
|计算应X、应变丨
|评估失效准则|
■]增加载荷I@5
图1有限元分析求解步骤
1.5 mm
6.4 mm 1.5 mm
图2双切口剪切模型
铺层材料的试件分别表示为U5(A),U3G2(B), U2G3(C,D,E),G5(F)。U代表单向玻璃纤维复 合材料，G
代表短切玻璃纤维织物复合材料，下标数 字表示层合板中U与G的层数。具体层合板的铺层 方式和铺层结构见表1，有限元分析中使用到的详细 材料参数见表2和表3。
1有限元建模及分析方法
1.1复合材料建模方法
HyperMesh支持考虑铺层材料及其铺层顺序的 定义方式，即ply+stack的复合材料铺层定义方式，把各个设计好的铺层按照特定的铺层次序层叠起来, 形成完整的层合板。采用ply+stack顺序的建模技术，可以很方便地对复合材料层合板进行建模和编辑，三 维显示和铺层方向显示等。A ltair独有的基于铺层的 复合材料建模方式，可以直观地显示复合材料的铺层 形状、铺层顺序、材料方向等，其高效精确的求解技 术使得复合材料层合板的有限元分析求解变得更加可 视化，整体的分析流程如图1所示。模型的整体尺寸 为 79.5 mm x 12.7 mm x 12.7 mm，双切口详细尺寸 如图2所示。复合材料的层间剪切性能由式（1)计算:
式中：p为极限失效载荷；w为层合板宽度；6为槽 间距。
文中所涉及的复合材料是短切玻璃纤维织物（以下简称G F)和单向玻璃纤维（以下简称UF)，有限 元分析中所使用的复合材料层合板的6种有限元分析 模型试件依次记为A,B,C,D，E，F，其中不同
表1玻璃纤维复合材料层合板铺层结构
试件编号铺层材料铺层结构
A u5U F/U F/U F/U F/U F
B U3
C J2U F/G F/U F/G F/U F
C G F/U F/G F/U F/G F
D U2G3U F/G F/G F/G F/U F
E G F/U F/U F/G F/G F
F g5
G F/G F/G F/G F/G F
表2单向玻璃纤维复合材料单层板材料参数[11]
材料参数_________
和弦大全
纵向拉伸模量五i/G P a38.6
横向拉伸模量五2/G P a 8.27
剪切模量G12/G P a 4.14
泊松比V120.26
纵向拉伸强度X r/M P a1062
材料参数________
纵向压缩强度X c/M P a 610广州水果
横向拉伸强度W/M P a31
横向压缩强度V b/M Pa 118
剪切强度S^/M P a72
表3短切玻璃纤维织物复合材料单层板材料参数[12]材料参数值材料参数值
纵向拉伸模量五i/G P a23.1纵向压缩强度/M P a 337
横向拉伸模量£2/G P a 6.87横向拉伸强度VT/M P a442
剪切模量G12/G P a 1.8横向压缩强度Y c/M Pa337泊松比V120.25剪切强度S12/M P a40
纵向拉伸强度X T/M P a442
1.2复合材料失效准则
Tsai-W u失效理论[13]是复合材料经典的失效准 则，它考虑空间应力中破坏面的存在性，修正了文献
•
51 •
•制造工艺•电*5机械，«
2020年12月
一
GF /UF/GF /UF/GF UF /GF/GF /GF/UF
铺层方式
(a )不同铺层顺序
GF /UF/UF /GF/GF
Us u 3g 2 u 2g 3铺层方式
(b )不同铺层材料
d
图5
铺层材料与铺层顺序对剪切强度的影响
文中通过有限元分析得到的结论，与文献[16]进
图4
不同铺层方式复合材料的剪切强度
图5为不同铺层材料与铺层顺序分别对玻璃纤维 复合材料剪切强度的影响趋势。从图5可以看出：随 着玻璃纤维复合材料层合板中单向玻璃纤维层数的
减少，铺层材料为 U 5 (A )，U 3G 2 (B ), U 2G 3 (C ， D , E )，G 5 (F )的分析试件的剪切强度逐渐减小， 最高为41.55 MPa ，最低为20.71 MPa ，说明铺层材 料对复合材料层合板的层间剪切强度影响较大；铺层 材料为U 2G 3 (C , D , E )的3组试件的剪切强度分 别为 23.79 MPa , 23.62 MPa , 22.96 MPa ，这 3 组 试件的剪切强度基本相同，说明铺层顺序对复合材料 层合板的层间剪切强度影响较小。
〇
A B C D E F
试件编号
图4为6组玻璃纤维复合材料分析试件 的剪切强度值。从图4可以看出，铺层方式为 UF /UF /UF /UF /U F 的复合材料剪切强度值达到最
高的41.55 MPa ，而铺层方式为GF /GF /GF /GF/GF
的复合材料剪切强度为最低的20.71 MPa 。
[14]提出的张量多项式理论，其目的是克服Tsai-ffill 准则的缺点。具体的失效形式可表示为：
fi^i + fij ^i^j + fijk ^i ^j ^i^k — 1 > 〇
= 1,2, ••• ,6)
(2)
式中：/i ，/b 和/#分别是2阶、4阶和6阶的强度 张量系数；〇>
•和<7fc 分别是;r ，y 和s 方向的强度
张量。
对于平面应力状态，U ,fc = x ，y ，s ，且复合材 料层合板中取张量多项式的前两项，将所有多项式展 开以后进行计算，则Tsai -W u 判据可写成：
(3)
fx^x fy^y fxx^x
f y y ^y
fssT xy
^f x y ^x ^y — 1^0
Tsai -W u 判据可以用来预估复合层的失效，式 中强度张量系数的表达式[15]为：纵向强度系数
九=古-古，L
横向强度系数
f y =
-------^7T > fyy ~；抗剪强度系数
〜c J ^TayC /.««
=
相互作用系数 Zrj / = ~2\/f x x fyy °
2结果与分析
2.1剪切性能分析
图3为通过有限元分析软件计算的位移-载荷曲
线。通过有限元分析结果观察，铺层方式为U 5的试 件的层间破坏载荷要远高于其他铺层结构的试件，而 铺层方式为G 5的层合板试件则表现出相对较差的层 间失效行为。铺层方式为1；5的试件极限载荷明显高 于其他5种试件，其主要原因是单向玻璃纤维的剪切 强度高于短切玻璃纤维的剪切强度。从图3可以看 出，编号为A 的试件位移-载荷曲线到达最高点后便 开始下降，不同于其他5种铺层方式，
其主要原因是 短切玻璃纤维在承受最大失效载荷后，大部分受力区 域己经发生剪切破坏，但仍有小部分短切玻璃纤维丝 彼此相连，并在后续的拉力下仍能承受相应的荷载。
位移/mm
图3不同铺层方式复合材料位移-载荷曲线
52
£I M /I m R 4
s ;50505050
4433221
1
第36卷第6期马玉钦，等：基于HyperWorks的不同铺层方式复合材料剪切强度有限元分析•制造工艺•
行的混杂单向玻璃纤维布/短切毡的双切口剪切试验 得到的试验结果基本吻合，这验证了有限元分析的准 确性。
2.2剪切失效断口形貌
图6为不同铺层方式玻璃纤维复合材料拉剪失 效断口形貌。从图6可以看出，6组分析试件的拉剪失效断口形貌基本相同，都是在2个切口之间形 成断口并向切口外侧呈45°方向延伸。铺层方式为 UF/UF/UF/UF/U F的A组试件失效断口较大，而 且在切口外侧45°方向形成贯通裂纹，而铺层方式为 GF/GF/GF/GF/G F的F组试件失效断口较小，只是在2个切口之间形成裂纹。
(a)UF/UF/UF/U F/U F(b)UF/GF/UF/G F/U F(c)GF/UF/GF/UF/GF
(d)UF/GF/GF/G F/U F(e)GF/UF/UF/G F/G F(f)GF/GF/GF/G F/G F
图6不同铺层方式复合材料的剪切断口形貌
3结束语
本文基于Tsai-W u失效理论，结合双切口拉剪试 验方法，对不同铺层方式玻璃纤维复合材料层合板的 层间剪切强度进行了数值模拟研宄。结果表明：不同 的铺层材料对复合材料层合板层间剪切性能的影响较 大；不同的铺层顺序对复合材料层合板的层间剪切性 能影响较小；而不同铺层方式玻璃纤维复合材料层合 板的失效断口形貌基本相同。本文主要对玻璃纤维增 强树脂基复合材料宏观下的层间剪切性能进行了数值 模拟分析，对其细观结构下的层间剪切、层内剪切等 力学性能及其层合板失效破
坏情况的具体分析还需进 一步深入研宄。
文中的数值建模方法和铺层研宄方法皆可为玻璃 纤维复合材料在航空航天领域的推广应用研究提供重 要的参考。
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(下转第64页）
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•制造工艺•电4机块，打2020年12月
6)焊接前，要设置合理的预热温度，要综合考 虑零件材料和镀层的耐温性。
本文针对某大电流高热容量汇流板的通孔透锡率 进行了比较全面的工艺研宄，解决了产品实际需求, 对电子设备软钎焊接工艺具有一定的普适性指导意 义。但本研宄所针对的对象和焊接方法还有必要进一 步深入，在焊接手段的实现上，除了采用波峰焊接设 备之外，还需探索别的实现手段，多层叠加印制板焊 接厚度的极限等问题还需要进一步的研究。
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法律故事王旭敏男，1966年生，高级工程师，主要从事 工装和非标设备设计工作。
张正兵男，1983年生，高级工程师，主要从事 特种装备结构设计工作。
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