泡沫夹芯复合材料层合板开口设计及补强技术研究

摘要

复合材料泡沫夹芯结构是一种高效的结构形式，具有高比强、高比模、重量轻、表面平整、隔音及隔热性能好和可设计性强等优势，在航空航天、运动器材、交通运输、医疗器材等领域广泛应用。考虑检测检修、管线排布等要求，必须对复合材料泡沫夹芯板进行开口设计，开口处会切断纤维降低结构的强度并引起应力局部集中等情况发生，因此，复合材料泡沫夹芯板的开口结构尤其是大开口结构设计及补强已经成为复合材料泡面夹芯结构应用过程中必须解决的问题。
　　本文对复合材料泡沫夹芯结构的力学性能及开口设计研究的研究现状进行综述，对该领域研究中存在的问题进行分析，对以玻璃纤维平纹织物层合板为面板，以泡沫为夹芯的复合材料泡沫夹芯结构的开口结构设计进行实验和数值模拟研究。本文主要研究内容如下:
　　(1)根据经典层合板理论，研究了层合板失效的判定准则和刚度降解模型在本文中所研究问题的实用性，并基于有限元软件ABAQUS内置模块Hashin失效准则及相应的材料刚度降解模型及相应的刚度降解模型，开发了三维复合材料累积损伤材料本构用户子程序VUMAT。
　　(2)运用ABAQUS有限元软件以及其子程序VUMAT，分析了和比较了泡沫夹芯复合材料在五种开口形状（矩形、方形、长圆形、圆形和椭圆形）对结构力学性能的影响。利用开口处局部应力影响范围作为判定标准，给出了补强位置和尺寸。通过复合材料插层补强和金属补强片补强两种补强方式的仿真结果，进行补强效果和补强效率的分析对比，确定了合适的补强方案。
　　(3)运用真空辅助成型技术VARI制作了相应的试件，通过试验比较分析了矩形开口泡沫夹芯复合材料层合板、椭圆形开口泡沫夹芯复合材料层合板和椭圆形开口插层补强泡沫夹芯复合材料层合板的破坏和失效模式。在拉伸载荷作用下，对矩形开口和椭圆形开口对层合板抗拉强度、椭圆形开口层合板和椭圆形开口补强后抗拉强度进行对比，实现了有限元分析与实验结果的验证。
　　研究表明复合材料泡沫夹芯结构中开口对结构的强度、应力应变分布都有显著的影响;椭圆形开口对泡沫夹芯层合板的影响相对较小;采用插层补强能明显提高泡沫夹芯结构开口处强度。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 带孔或开口层合板的应力集中现象

1．2．2 复合材料的开口补强

1．3 本文主要研究内容

第2章 复合材料力学基础及失效准则

2．1 经典层合板理论

2．1．1 单层的应力-应变性能

2．1．2 层合板的应变和应力关系

2．1．3 层合板的合力和合力矩

2．2 复合材料累积损伤分析

2．2．1 复合材料层合板的失效准则

2．2．2 用户材料子程序VUMAT

2．3 本章小结

第3章 复合材料层合板开口及补强设计的仿真分析

3．1 泡沫夹芯复合材料层合板模型

3．2 泡沫夹芯层合板开口外形的设计

3．3 泡沫夹芯复合材料层合板开口结构补强设计

3．3．1 椭圆形开口对复合材料层合板的影响范围

3．3．2 椭圆形开口的结构补强设计

3．3．3 复合材料插层补强方案

3．3．4 金属补强片插层补强方案

3．4 两种补强片补强效率比较分析

3．5 本章小结

第4章 层合板开口及开口补强试验验证与评价

4．1 试件制备和试验方法

4．1．1 试件的制备

4．1．2 实验设备

4．1．3 试验结果

4．2 矩形开口未补强层合板力学性能测试及分析

4．3 椭圆形开口未补强层合板力学性能测试及分析

4．4 椭圆形开口复合材料插层补强层合板力学性能测试及分析

4．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢