复合材料结构在飞机中的应用已经有近40年的历史，随着复合材料在飞机结构重量中所占比例的增大，很多的主承力件、次承力件和整流罩的复合材料结构上出现了一些需要预埋金属件的部位。层合板中金属预埋件埋置方式的相关研究工作国内开展较少，由于金属与纤维增强树脂的材料特性差别较大，刚度的不连续势必造成在预埋件与母体层合板的界面上出现较为严重的应力集中现象圈。对于疲劳载荷作用下的航空结构，应力集中会极大地影响结构的疲劳寿命，使结构的使用寿命下降。另外由于金属预埋件与母体纤维增强材料的界面上是由树脂粘接，该处的强度分析主要决定于基体材料性能，这将进一步限制预埋件结构的承载能力。
      为了将金属件埋入层合板，需要在铺层前对预浸料或纤维布进行切割，这将导致结构中的增强纤维存在先天的不连续特征，纤维断面若与预埋金属件粘接不好，易在界面上造成母版本身的孔边上产生分层现象。为了尽量减小以上问题对含预埋件层合板结构强度的影响，需要通过数值仿真的方法研究不同埋置方式对结构强度的影响，在结构进入制造阶段之前对结构的承载能力进行预测，对不同埋置方式下结构的强度进行对比，找到较佳的预埋件设计方案。1982年Mathews采用有限元分析法对纤维增强树脂结构中的接头强度进行了研究，1985年HartSmith分析后认为粘接结构的强度主要决定于搭接区域的长度和金属件的细节设计，1986年Baker阐述了先进复合材料的若干连接问题，1988年Baker阐述了复合材料损伤维修的主要方法，Kieger阐述了飞机粘接主结构的应力分析方法，1989年Gro Bombe提出将整体屈曲作为粘接接头的失效准则，1993年Chalkly阐述了采用复合材料对金属结构进行维修的方法和理论，2000年康国政Cio分析了短纤维增强金属基复合材料基体中的应力分布，2002年Kradinov采用螺栓连接补片对含孔复合材料壁板进行了维修，2006年任明法Ciz进行低速冲击下含金属内衬的纤维缠绕容器损伤分析，2009年张颖军研究了玻璃钢/钢连接界面的复合结构破坏原理。从国内外的文献看，对复合材料和金属粘接问题的研究较多，但尚没有对层合板中预埋金属件结构进行分析的文章。
      根据弹性力学的基本结论和飞机结构中的实际使用情况，我们选择了两种最典型的埋置方式进行了建模和分析，即含圆柱形金属预埋件的层合板和含阶梯形金属预埋件的层合板，每个单层板建为一个体元，对三维层合板结构进行精确建模。图所示为圆柱形预埋件层合板中心区剖视图，图为阶梯形预埋件层合板中心区剖视图。两个分析模型均为正方形碳纤维增强树脂层合板，材料为(T300/Q8911)，边长为0.2m，中心有一个铝合金(LY12)预埋件。层合板的铺层，每个单层的厚度为0.15mm，总厚度为1.5mm。预埋件内圆柱面上沿层合板法向施加单位分布载荷，层合板四边采用简支约束。图给出了层合板的边界约束示意图。将每个单层板假设为三维正交各向异性材料，刚度参数。单层板强度参数。
      采用4节点四面体单元对两个分析模型进行网格划分，通过公共节点保证每个单层板之间以及单层板和金属预埋件界面上的位移连续性。由于单层板厚度方向尺度远小于长度和宽度方向，确定有限元网格尺度时，应以厚度方向尺寸作为参考标准，否则容易出现单元畸形，可能会导致刚度矩阵奇异。这会导致较大的结构总自由度数，但相对于二维模型来说，从几何和物理两方面都极大提高了对三维结构进行分析计算的仿真度。图依次给出了圆柱形预埋件层合板中心区和阶梯形金属预埋件的局部有限元网格。复合材料的损伤机理比较复杂，经典层合板理论一般采用Hill蔡强度理论或蔡误张量强度理论，这两种强度理论适用于平面应力状态的单层板。本研究中采用体单元建立三维模型，应用于平面应力问题的单层板强度理论不再适用。考虑到三维问题的复杂性，我们采用最大应力准则作为三维层合板模型的强度准则，即认为材料主方向应力达到许用应力时，就发生对应的结构损伤，此时的外载荷即为该层合板结构的极限载荷。方向(垂直与纤维方向)最大应力超过许用值时即认为基体在正应力作用下发生了断裂。从保守的安全角度考虑，将层合板发生初始损伤时对应的外载荷作为其极限载荷。

                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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