含纤维褶皱复合材料的导热性能及力学性能分析

摘要

纤维增强树脂基复合材料在制造过程中容易产生纤维褶皱缺陷。纤维褶皱会削弱复合材料层合板的力学性能，对压缩强度的影响尤为显著。因此有必要对含纤维褶皱层合板在压缩载荷下的破坏规律进行研究。 本文通过理论分析和数值模拟，对含纤维褶皱复合材料层合板的力学性能进行研究，对其在压缩载荷下的渐进损伤进行模拟，分析其剩余压缩强度与褶皱参数的关系。本文的主要研究内容及结论如下： （1）首先基于三维热传导理论，对纤维褶皱引起树脂积聚的层合板进行瞬态热传导数值模拟，分析树脂积聚区的几何参数对层合板热阻变化率的影响及层合板表面对比温度的变化规律，并通过实验验证热成像技术对树脂积聚进行检测的可行性。发现层合板的热阻变化率随树脂积聚区面积比的增加而线性增大，当面积比为0.278%时，对比温度峰值约为46mK。 （2）对含均匀褶皱、梯级褶皱和局部褶皱层合板的等效弹性常数进行了理论分析，并对均匀褶皱和梯级褶皱两种情形的层合板在轴向压缩下的渐进损伤数值模拟。结果表明，在所有的等效弹性系数中Ex和Gxz对A/L的变化最为敏感；均匀褶皱层合板的四种损伤均发生在褶皱波波峰及波谷的两侧，其中分层损伤和基纤剪切发生最早，层合板的压缩强度随着A/L的增大呈非线性下降，当A/L=0.2时，压缩强度折减为无褶皱压缩强度的11%；梯级褶皱层合板的基纤剪切损伤和分层损伤均发生在最大错位角处，纤维损伤发生在以波峰为中心的区域以及最大错位角处。 （3）对含单个和两个树脂积聚区的纤维褶皱层合板在轴向压缩作用下的渐进损伤分别进行了数值模拟。结果表明，正应力最大值主要发生在树脂积聚区的顶部和底部（即褶皱波的波峰和波谷处），而切应力最大值主要发生在最大错位角处；单个树脂积聚区的情形下，纤维断裂主要发生在树脂积聚区的顶部和底部，而分层损伤则出现在最大错位角处，压缩强度随树脂积聚区高度的增大呈非线性下降，当H约为27.8%的板厚时，压缩强度降为无缺陷层合板的77.5%；含两个树脂积聚区的层合板在两个积聚区中心的连线处形成扭结带，在扭结带处发生严重的纤维断裂和分层损伤；同时在两个树脂积聚区的顶部或底部最靠近层合板边缘处发生纤维断裂。

目录

声明

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3 本文的主要内容及创新点

第2章 含纤维褶皱及树脂积聚的复合材料导热性能分析

2.1 前言

2.2 复合材料导热性能的分析

2.3含树脂积聚复合材料层合板的脉冲热成像损伤检测

2.4 本章小结

第3章 含纤维褶皱复合材料层合板的力学性能分析

3.1 前言

3.2 有效弹性常数分析

3.3 含纤维褶皱层合板的压缩破坏数值模拟

3.4 本章小结

第4章 含树脂积聚区层合板的剩余强度分析

4.1 前言

4.2 含单个树脂积聚区的层合板

4.3 两个树脂集聚区的相互影响

4.4 本章小结

第 5 章 总结与展望

5.1 全文总结

5.2展望

参考文献

致谢

附录A 材料性能程序

附录B 用户自定义场变量USDFLD子程序