含孔层合板非协调广义混合元模型的层间应力分析

卿光辉; 王永钢; 王燮

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2025.07.016

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含孔层合板非协调广义混合元模型的层间应力分析

·设计·计算· | 更新时间：2025-07-10

- 含孔层合板非协调广义混合元模型的层间应力分析
- INTERLAMINAR STRESS ANALYSIS OF INCOMPATIBLE GENERALIZED MIXED ELEMENT MODEL FOR COMPOSITE LAMINATES WITH A HOLE
- 机械强度 2025年47卷第7期页码：124-134
- 作者机构：
  
  1.中国民航大学航空工程学院，天津 300300
  2.上海飞机设计研究院，上海 201210
- 作者简介：
  
  卿光辉，男，1968年生，湖南新化人，博士，教授，硕士研究生导师；主要研究方向为复合材料结构设计与维修；E-mail：2020012137@cauc.edu.cn。
  王永钢，男，1996年生，山东淄博人，硕士；主要研究方向为广义混合有限元理论与方法；E-mail：yonggangw@foxmail.com。
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金项目(11502286)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.07.016
  中图分类号： O343.8
- 收稿日期：2023-10-31，
  
  修回日期：2024-01-30，
  
  纸质出版日期：2025-07-15
- 稿件说明：
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卿光辉，王永钢，王燮. 含孔层合板非协调广义混合元模型的层间应力分析［J］. 机械强度，2025，47（7）：124-134.

QING Guanghui，WANG Yonggang，WANG Xie. Interlaminar stress analysis of incompatible generalized mixed element model for composite laminates with a hole［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（7）：124-134.
卿光辉，王永钢，王燮. 含孔层合板非协调广义混合元模型的层间应力分析［J］. 机械强度，2025，47（7）：124-134. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.07.016.

QING Guanghui，WANG Yonggang，WANG Xie. Interlaminar stress analysis of incompatible generalized mixed element model for composite laminates with a hole［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（7）：124-134. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.07.016.

摘要

为了研究含孔复合材料层合板的孔边应力集中现象，分析孔边区域层间应力的分布特点。以广义混合变分原理为基础，建立不同铺层方式的含孔层合板广义混合有限元模型。将应力场变量分为层间应力和平面内应力，引入应力边界条件，保证层间应力在层间连续、平面内应力在层间不连续的物理事实，分别从厚度方向和环向对层合板孔边的层间应力进行分析。数值表明，与有限元软件Abaqus的8节点三维实体非协调位移元结果做对照发现，利用非协调广义混合元得到的应力奇异性结果更加准确，层合板上、下表面的应力始终与实际情况保持一致。研究认为，相较于位移元，非协调广义混合元可以更有效地捕捉层间应力在层合板孔边的高应力梯度特性，为层合板的优化设计提供新思路。

Abstract

In order to investigate the stress concentration phenomenon and analyze the distribution characteristics of the interlaminar stress in the hole edge region of composite laminates. Based on the generalized mixed variational principle

the generalized mixed finite element model for laminated plates with various stacking modes were established. The stress field variables were divided into the interlaminar stress and the in-plane stress

with the introduction of stress boundary conditions to ensure the physical continuity of interlaminar stresses between layers and the discontinuity of in-plane stresses between layers. The interlaminar stresses at the edge of the laminated plate hole were respectively analyzed through the thickness direction and the circumferential direction. Numerical examples demonstrated that the incompatible generalized mixed element could obtain more accurate stress singularity results than the 8-node three-dimensional solid incompatible displacement element results solved by the finite element software Abaqus. Stresses on both upper and lower surfaces of the laminated plate consistently reflected actual situations. The research indicates that compared with the displacement element

the incompatible generalized mixed element can more effectively capture the high stress gradient of the interlaminar stresses at the edge of the laminated plate hole

which provides a new idea for the optimal design of the laminate.

关键词

Keywords

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