基于动态高分子基复合材料的一体化T型加筋壁板力学性能仿真研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2025.03.010

中国塑料 ›› 2025, Vol. 39 ›› Issue (3): 53-59.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2025.03.010

基于动态高分子基复合材料的一体化T型加筋壁板力学性能仿真研究

张勋, 刘翔, 方梅, 郭攀(), 冯跃战(), 黄明, 刘春太

郑州大学橡塑模具国家工程研究中心，工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室，郑州 450002

收稿日期:2024-11-11 出版日期:2025-03-26 发布日期:2025-03-24
通讯作者: 郭攀（1982—）男，讲师，计算力学，panguo@zzu.edu.cn
冯跃战（1988—）男，副教授，高分子基复合材料，yzfeng@zzu.edu.cn
E-mail:panguo@zzu.edu.cn;yzfeng@zzu.edu.cn
基金资助:
国家重点研发计划(2019YFA0706802)

Simulation on mechanical performance of integrated T⁃shaped reinforced wall panel based on carbon fiber reinforced dynamic polymer composites

ZHANG Xun, LIU Xiang, FANG Mei, GUO Pan(), FENG Yuezhan(), HUANG Ming, LIU Chuntai

National Engineering Research Center for Advanced Polymer Processing Technology，State Key Laboratory of Structural Analysis，Optimization and CAE Software for Industrial Equipment，Zhengzhou University，Zhengzhou 450002，China

Received:2024-11-11 Online:2025-03-26 Published:2025-03-24
Contact: GUO Pan, FENG Yuezhan E-mail:panguo@zzu.edu.cn;yzfeng@zzu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

采用双酚A二缩水甘油酯醚（DGEBA）和固化剂戊二酸酐（GA）为树脂基体与单向碳纤维进行预浸复合，制备具有动态可逆性能以及优异力学性能表现的碳纤维预浸带。热压固化后对样条进行拉伸、压缩、剪切、应力松弛及蠕变力学性能测试，获得复合材料基本力学性能。根据力学测试结果，对二次胶接成型、一体化成型T型加筋壁板进行建模，并采用有限元方法开展多工况仿真分析。结果表明，相较于传统二次胶接成型结构壁板，在拉伸、压缩、弯曲、冲击工况下，外部载荷相同时，一体化成型结构壁板最大形变量分别降低了28.57 %、28.57 %、28.04 %、8.27 %；屈曲失稳时，一体化成型结构壁板的临界载荷提高了84.69 %，同时各角度铺层最大变形处的纵向应变均有较大提升，表现出更为优异的抗屈曲性能。

关键词: 碳纤维增强复合材料, 动态高分子, 飞机壁板, 力学性能, 有限元仿真

Abstract:

The　prepreg tape with dynamic reversibility and excellent mechanical properties were prepared by using bisphenol⁃A diglycidyl ether as a resin matrix， glutaric anhydride as a curing agent， carbon fiber as a reinforcement. The tensile， compressive， bending， stress relaxation， and creep properties of the composites after hot pressing were investigated. According to The mechanical test results， the solid modeling was conducted for the secondary bonding forming and integrated forming structure panel， and a finite element simulation analysis was carried out. The results indicated that compared to the traditional secondary bonding forming structure panel， the maximum deformation of the integrated forming structure panel decreased by 28.57 %， 28.57 %， 28.04 % and 8.27 % under tension， compression， bending， and impact conditions， respectively， at the same external load. When buckling instability occurred， the critical load of the integrated structure panel increased by 84.69 %， and its longitudinal strain at the maximum deformation at each angle was greatly improved， demonstrating excellent anti⁃buckling performance.

Key words: carbon fiber reinforced composites, dynamic polymer, aircraft panel, mechanical property, finite element simulation

中图分类号:

TQ320.66

张勋, 刘翔, 方梅, 郭攀, 冯跃战, 黄明, 刘春太. 基于动态高分子基复合材料的一体化T型加筋壁板力学性能仿真研究[J]. 中国塑料, 2025, 39(3): 53-59.

ZHANG Xun, LIU Xiang, FANG Mei, GUO Pan, FENG Yuezhan, HUANG Ming, LIU Chuntai. Simulation on mechanical performance of integrated T⁃shaped reinforced wall panel based on carbon fiber reinforced dynamic polymer composites[J]. China Plastics, 2025, 39(3): 53-59.

图/表 12

程序	保温/℃	升温速率/ ℃·min^-1	保持压力/MPa	保持时间/min
1	80	1.5	0.6	120
2	130	1.5	0.6	120
3	160	1.5	0.6	240
冷却行程	60	1.5	0.6	-

表1 热压罐成型工艺参数

Tab.1 Process parameters for autoclave molding process

图1 材料蠕变、松弛特性与力学性能分析

Fig.1 Analysis of creep， relaxation characteristics and mechanical properties of materials

表2 复合材料T型加筋壁板两种结构方案及铺层信息

Tab.2 Two structural schemes and ply information of composite T⁃stiffened panel

图2 复合材料T型加筋壁板在3种工况下的应力云图结果

Fig.2 The stress cloud diagram results of composite T⁃stiffened panel under three working conditions

图3 复合材料T型加筋壁板在3种工况下的载荷⁃位移曲线

Fig.3 The load⁃displacement curves of composite T⁃stiffened panels under three working conditions

图4 复合材料T型加筋壁板冲击工况示意图

Fig.4 The schematic diagram of impact condition of composite T⁃stiffened panel

图5 复合材料T型加筋壁板不同时刻冲击变形云图

Fig.5 Impact deformation cloud diagram of composite T⁃stiffened panel at different times

图6 复合材料T型加筋壁板位移量与碰撞接触力随时间变化曲线

Fig.6 The curve of displacement and collision contact force of composite T⁃stiffened panel with time

图7 复合材料T型加筋壁板屈曲分析边界条件

Fig.7 Boundary conditions for buckling analysis of composite T⁃stiffened panel

二次胶接结构壁板			一体化结构壁板
阶次	特征值	临界荷载/N	阶次	特征值	临界荷载/N
1	621.18	621 180	1	1 127.0	1 127 000
2	626.50	626 500	2	1 156.2	1 156 200
3	631.02	631 020	3	1 163.7	1 163 700
4	635.31	635 310	4	1 200.1	1 200 100
5	641.93	641 930	5	1 262.3	1 262 300

表3 复合材料T型加筋壁板屈曲特征值及临界荷载

Tab.3 Buckling eigenvalue and critical load of composite T⁃stiffened panel

图8 复合材料T型加筋壁板非线性屈曲模态对比

Fig.8 Comparison of nonlinear buckling modes of composite T⁃stiffened panel

图9 复合材料T型加筋壁板不同角度铺层典型波峰处应变⁃载荷曲线

Fig.9 Strain⁃load curves at typical wave peaks of composite T⁃stiffened panels at different angles

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