摘 要：本文使用ANSYS对两种夹层板（spp1和spp2）的承载能力进行了数值研究。研究表明：有限元模拟和实验结果非常接近，spp1的承载能力决定于竖梁，spp2 的承载能力决定于复合板。
关键词：复合材料 有限元
1 前言
作为发达国家公路运输主要工具的厢式半挂车，其厢体使用复合材料板已经非常普遍。厢体用复合材料板的性能如何直接关系到车辆的整体承载能力。中集自进入半挂车行业就就重视车用复合材料的研究与开发。
由于复合材料的复杂性，在使用和试验过程中其中心夹层的情况是不可测量的，一般只有在割开表层金属后才能了解。因此使用有限元进行复合材料的分析具有先天的优势，可以对各层材料进行详细的描述，结果具有可视性。更重要的是可以对各层的材质、密度和厚度进行选择，然后预测板的整体性能和局部应力，这种可预测性对复合材料板的开发设计是非常重要的，是传统的实验摸索法不可比拟的。本文通过数值模拟对复合材料板承载能力的进行预测，研究其各组成部分性能参数对承载能力的影响，以期对我司的车用复合材料开发提供一定的帮助。
ANSYS 单元库中，用作层状结构板壳单元的单元类型有多种，一开始只有shell91 单元具有模拟夹芯复合板结构的功能，后来在新的版本中才增加了shell181单元。我们这里考虑到板厚度和尺寸，使用shell91。
shell91 单元共有八个节点，六个自由度，如图1 所示。可以通过对其八个节点、各层的厚度、各层的铺设方向以及正交各向异性材料属性等进行定义确定单元的几何形状和属性。这种单元具有中间节点，以保持应力的连续性。
图1 shell91 单元特性
shell91 模拟的夹芯复合板要求具有较薄的表层（蒙皮）和较柔的芯层，而这完全符合车厢复合板的特点。可以期望使用shell91获得较高的精度。
2 正文
2.1 模型的建立
某两型复合板为钢+非金属+钢层合结构，各层间采用高强度粘接剂粘接。为便于规模生产，复合板都切割成标准尺寸的单元模块，模块间使用连接立柱铆接。显然，结构属于典型的复合板加筋结构，所以模型采用ANSYS/structure中的板壳单元shell91模拟复合板，立柱骨架beam188建模。
两种复合板分别为spp1和spp2，其区别主要是各层材料或材料强度等级不同。
材料主要属性如下表1。表1 spp1材料力学性能表
注：两种复合板的机械性能指标都是采用的等效指标。即视做等效的各向同性。为对比方便，材料特性定义为线弹性 2.2 计算方案
为和实际装车的情况接近，如下模拟实验。
2.2.1 spp1
实验一，两侧三点约束，上下边全约束。计算模型见图2-1。
实验二，两侧两点约束，上下边全约束。计算模型见图2-2。
实验三，两侧无约束，上下边全约束。
图2－1 spp1复合板两侧三点约束有限元模型 图2－2 spp1复合板两侧两点约束有限元模型
图2 复合板有限元模型
这里，spp1复合板两侧无约束有限元模型不再给出。spp2复合板也不再给出，不同之处在于采用三个结构单元。考虑可对比性，载荷采用同样的均布载荷。
2.2.2 spp2
实验一，两侧无约束实验，上下全约束。
2.3 计算结果和试验结果
整车载荷为P，这里按单元数对应整车单元数均分。
2.3.1 spp1
2.3.1.1 实验一 两侧三点约束0.3P。
（1） 0.3P计算最大变形为79 mm 。实验测得的变形为82 mm。
（2） 图4-1示0.3P复合板最大应力53.0 MPa。图4-3示竖梁最大应力211 MPa。
（3） 图4-2示复合板在0.448P时达到板的屈服应力103 MPa。图4-4示竖梁在0.339P时达到铝的屈服应力最大应力240 MPa。即结构承载的完全弹性范围为0.339P。
2.3.1.2 实验二 两侧两点约束0.3P
(1) 计算最大变形为79.194 mm 。实验测得的变形为78 mm。
(2) 图5-1示复合板最大应力53.2 MPa。图5-2示竖梁最大应力212 MPa。
图5-1. spp1在两侧两点约束0.3P时板的应力 图5-2. spp1在两侧两点约束0.3P时竖梁的应力
图5. spp1在两侧两点约束的应力
2.3.1.3 实验三 两侧无约束0.3P
(1) 0.3P图1-3-1示最大变形为89.142 mm 。实验测得的变形为94 mm。
(2) 图6-1示复合板最大应力58.1 MPa。图6-2示竖梁最大应力230 MPa。
图6-1. spp1在两侧无约束0.3P时板的应力图 6-2. spp1在两侧无约束0.3P时竖梁的应力
图6. spp1在两侧无约束的应力
2.3.2 spp2
2.3.2.1 两侧无约束
(1) 图7-1示复合板在0.38P时达到板的屈服应力135 MPa。图7-2示竖梁在0.4P时达到铝的屈服应力最大应力240 MPa。即结构承载的完全弹性范围为0.38P。
(2) 图7-3示0.4P时最大变形为177.21 mm 。实际实验测得的变形为169.5 mm。
图7-1. spp2在两侧无约束0.38P时板的应力 图7-2. spp2在两侧无约束0.4P时竖梁的应力
图7-3. spp2在两侧无约束0.4P时变形
图7. spp2在两侧无约束的应力和变形
3 结论与建议
综上所述，以上各项计算的变形和实际实验测得的变形是很接近的。其相差范围在5%左右。考虑到复合材料材料性能的离散性以及各向异性，是完全可以接受的。说明软件分析是具有足够精确性的。
从上述计算结果和试验的对比，可以得到以下结论：
（1） 由于spp1复合板在0.339P屈服，spp2 的复合板在0.38P屈服。所以复合板spp2实验方案的综合承载力比复合板spp1实验方案综合承载力高。
（2） spp1的复合板性能比spp2的复合板的性能差；spp1的竖梁先于复合板屈服，spp2的竖梁后于复合板屈服；所以实际上的spp1的承载能力决定于竖梁，spp2 的承载能力决定于复合板。
（3） spp1的三点约束和两点约束实验的变形和应力相差不大，但无约束时稍大。从安全角度看，应该是用无约束实验更为合理。
从本文分析经验出发，对于复合板的开发和分析，建议如下供参考：
（1） spp1方案的复合板面材为普通钢, spp2方案的复合板面材为高强度钢。但两种复合板的机械性能却相差不是很多。所以复合板的开发考虑的是一个复合性能，不能单纯靠某一组成的性能提高某一机械性能。但一般说来，某一组成的性能提高总能提高复合材料的某一机械性能。
（2） 由于芯板的强度很低，复合板的强度比之要高很多。可见复合材料的应力和强度机理是很复杂的。当面材出现塑性变形时，芯板可能早就断裂很严重了。
（3） 所以实际上要计算复合板的塑性变形是很困难的。所以本报告没有给出塑性变形。这也是不建议使用复合板塑性承载能力的原因之一。
[参考文献]
[1] ANSYS理论手册，ANSYS中国。
[2] 科学计算导论（第2版）。Michael T.Heath.。清华大学出版社, 2001。
[3] O.C. Zienkiewicz & R.L. Talor，有限元法(第2版)。世界图书出版社。2003。
[4] Chamdrupatla，工程中的有限元方法(第3版)。机械工业出版社。2004。
[5] 黄天泽，黄金陵，汽车车身结构与设计。机械工业出版社。2000。(end)
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