摘 要

作为一种新型材料，纤维金属板（Fiber mental laminates，FMLs）是由一种由金属薄板和纤维复合材料交替铺层后，在一定温度和压力下固化而成的层间混杂复合材料。由于FMLs具有较高的比刚度和比强度，优良的疲劳性能以及高的损伤容限，这些优势使得FMLs在航空航天工业中获得了广泛的应用。但是，由于纤维复合材料和金属材料的热膨胀系数差异，在高温下固化完成后降温过程会产生较大的残余热应力。

本文采用ANSYS有限元软件提供的SOLID186层合结构单元，对曲面板在降温过程中产生的残余应力和变形进行了分析。首先采用简单的两层结构曲面薄板，验证了用SOLID186层合结构单元模拟曲面结构中复合材料铺层方向对结构变形和应力影响的可行性；然后采用上述方法，分析了铺层为Al/0/90/Al/90/0/Al的厚FMLs曲面板从固化温度降低到室温时，其内部所产生的残余应力及总体变形；最后研究了在总厚度不变的情况下，Al层厚度分布、复合材料铺层方向和模量等因素对FMLs曲面板的变形和应力的影响。研究结果对纤维金属板的工艺优化具有指导意义。

关键词：纤维金属板；残余应力；有限元参数化建模；APDL语言

Abstract

As a kind of new material, Fiber mental laminate consist of metal layers and fiber composite material alternatingly layered and solidified under certain temperature and pressure and is a kind of interlaminar hybrid composite. Because of the high specific stiffness and specific strength, excellent fatigue performance and the damage tolerance , FMLs has been widely used in the aerospace industry. However, there is a great difference between the thermal expansion coefficient of the composite materials (such as glass fiber, carbon fiber) and that of metal materials (such as aluminum alloy),which will cause large residual stress in the laminates.

In this paper, the residual stress and deformation in the cooling process of the curved laminate are analyzed by using the SOLID186 layered structural element provided by ANSYS ,the finite element software. Firstly, this paper creates and analyzes a simple curved laminate with two layers using the approach referred to, which verifies the feasibility of using SOLID186 layered structural element to simulate the influence on the stress and deformation of curved structure caused by the changing composite layer orientation.Secondly , the above methods will be taken to analyze the internal residual stress and deformation of a FMLs curved laminate with the layer of Al/0/90/Al/90/0/Al during the process of temperature reduced from curing temperature to room temperature. Finally,under the case of the same total thickness , the distribution of Al layer thickness , composite layer orientation and modulus will be considered to as factors having effect on curved laminate deformation and stress. The research results have guiding significance for the process of optimization of fiber metal laminates.

Keywords：Fiber mental laminates ; Residual stress ; Finite element parametric modeling ;APDL Language

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 纤维金属板的发展 2

1.3 国内外研究现状 2

1.4 本文研究的目的和主要内容 3

第2章 基于ANSYS的FMLs有限元模型建立方法 4

2.1 SOLID186层合结构单元与SOLID186均质结构单元 4

2.1.1 单元描述 4

2.1.2 单元的输入数据 5

2.1.3 分层结构截面的定义 6

2.2 FMLs分层结构的建立方法 6

2.3 对结构分层方法的验证 8

2.3.1 验证模型的材料属性 9

2.3.2 验证模型分层结构建立 10

2.3.3 验证模型的求解 12

2.4 本章小结 15

第3章 多层FMLs残余应力与变形研究 16

3.1 GLARE层板的残余应力与变形 16

3.2 不同铺层参数下的残余应力与变形 19

3.2.1 铝合金层厚度分布 20

3.2.2 纤维铺层方向 21

3.2.3 复合材料弹性模量 24

3.3 本章小结 26

第4章 结论与展望 28

4.1 全文总结 28

4.2 工作展望 28

参考文献 29

附录：APDL建立参数化GLARE层板 31

致谢 34

第1章 绪论

1.1 研究背景

纤维金属板（FMLs），是由纤维复合材料和金属薄板交替铺设后，在一定温度和压力下作用下，固化而成的一种新型复合材料。它既有传统纤维复合材料和金属材料的特点，又摒弃了单一纤维材料和金属材料的缺点^[19]。这使得FMLs比传统单一的纤维或金属材料更有市场。在飞行器建造中，使用FMLs作为机身材料可以大大降低预算，同时又能够给飞机提高更好的性能与更高的安全性。由于这些原因，FMLs已经渐渐成为航天航空工业中重要的结构材料^[1][7]。

图 1-1 用GLARE制造的A380机身上拱

A380机身机翼上大量使用了复合材料，其中纤维金属板材料占比最多。

我国虽然军用飞机的研发属于世界领先，但是民用飞机的研制开发起步很晚。民用飞机制造业的水平远远落后于发达国家，特别在材料、发动机等方面技术储备明显不足^[19]。目前GLRAE层板（FMLs的一种）广泛应用于飞行器，已经成为主流的飞行器结构材料。然而，我国对GLARE层板的研制开发仍处于起步阶段，这已经落后于很多发达国家，甚至是一些南美的发展中国家。因此，掌握GLARE层板的制备及性能对于我国民机工业的快速发展具有重要作用^[16]。在去年下线的C919的机身上所用的百分之三十的铝合金是国产的，而大面积复合材料则是进口的。这种情况急需转变。

由于金属材料与纤维复合材料的弹性模量和热膨胀系数存在差异，因此在FMLs由固化温度降到室温的过程中，层板会在层间产生残余应力。这可能会使层板产生翘曲变形和层合板使用过程中的扭曲变形。因此，成型过程中的层间残余应力问题和翘曲会严重影响材料的使用和其性能的发挥^[19]。