混杂纤维增强泡沫夹芯结构力学性能研究

摘要

随着科学进步,材料的应用从传统的金属材料、陶瓷材料等逐步发展到了复合材料。而轻质夹层结构作为复合材料中十分重要的成员,具有比强度高,比模量高,吸能减噪,吸波等突出性能。本文以舰船复合材料为研究背景,对混杂纤维增强泡沫夹心结构进行研究。从混杂纤维增强层合板和泡沫芯子两个方面进行研究。
　　泡沫芯子研究方法:
　　首先应用有限元软件ABAQUS以及用户子程序V-UMAT对泡沫材料的压缩性能进行研究。并以实验为依据选择适当的损伤模型对泡沫材料的拉伸和剪切性能进行模拟。其次通过基于显微CT断层扫描技术得到泡沫材料的几何模型,然后给几何模型施加材料属性,边界条件等对其力学性能进行研究。两者都得到了与实验结果较好吻合的应力-应变曲线和吸能的相关参数。
　　混杂纤维增强层合板的研究方法:
　　对混杂纤维层合板的研究主要考虑混杂效果对层合板的疲劳性能的影响。首先应用有限元软件ABAQUS对碳纤维、玻璃纤维和不同碳纤维含量的混杂纤维层合板进行了静态拉伸模拟,将得到的拉伸强度和应力分布应用到疲劳性能的研究中,其次应用有限元软件MSC.FATIGUE对上述层合板的疲劳性能进行分析。将实验所得的R=0.1时的S-N曲线赋予层合板,施加应力比R=-1,大小为静载拉伸强度的15％和30%的正弦载荷,通过数值计算得到不同层合板的疲劳性能,并通过对比分析得到混杂纤维层合板的混杂效应对其疲劳性能的影响。

目录

混杂纤维增强泡沫夹芯结构力学性能研究硕

THE STUDY OF MECHANICAL PROPERTIESFOR HYBRID FIBER REINFORCED FOAMSANDWICH STRUCTURE

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 泡沫材料的研究现状

1.3 混杂纤维研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第2章 泡沫芯子压缩本构关系理论研究及数值模拟

2.1 引言

2.2 泡沫材料压缩本构

2.2.1 屈服条件

2.2.2 塑性流势

2.2.3 塑性算子

2.2.4 应变硬化/壳密实化（cell densification）

2.2.5 应变率的影响

2.3 泡沫材料压缩有限元模拟

2.3.1 有限元分析条件设置

2.3.2 结果和分析

2.4 本章小结

第3章 泡沫材料的拉伸和剪切性能有限元模拟

3.1 引言

3.2 损伤理论简介

3.2.1 损伤变量

3.2.2 韧性准则（Ductile Criterion）

3.2.3 损伤演化

3.3 应用损伤模型对拉伸和剪切的有限元模拟

3.3.1 拉伸有限元分析条件设置

3.3.2 拉伸模拟结论分析

3.3.3 剪切有限元分析条件设置

3.3.4 剪切有限元分析结果及分析

3.4 本章小结

第4章 基于微显CT断层扫描技术泡沫材料力学性能研究

4.1 引言

4.2 实验测试

4.2.1 对泡沫材料的微显CT断层扫描实验研究

4.2.2 泡沫材料压缩实验

4.3 基于显微CT断层扫描技术的有限元模拟

4.4 模拟结果与讨论

4.4.1 压缩应力-应变分析

4.4.2 泡沫材料吸能性能研究

4.4.3 泡沫材料细观模型压缩过程分析

4.5 基于三维CT扫描有限元分析展望

4.6 本章小结

第5章 混杂纤维增强复合材料静态拉伸力学性能研究

5.1 引言

5.2 纤维选择

5.2.1 碳纤维增强和玻璃纤维增强单层板刚度对比

5.2.2 碳纤维和玻璃纤维增强单层板的强度对比

5.3 纤维增强层合板损伤准则选择

5.4 内聚力（cohesive）单元理论

5.4.1 线弹性牵引-分离量（traction-separation）法则

5.4.2 内聚力损伤模型

5.5 纤维增强层合板数值模拟

5.5.1 模型几何尺寸

5.5.2 有限元分析条件

5.6 结果与分析

5.7 本章小结

第6章 混杂纤维增强复合材料疲劳性能研究

6.1 引言

6.2 应力疲劳分析理论

6.2.1 交变应力

6.2.2 S-N曲线

6.2.3 交变应力

6.3 混杂纤维增强复合材料疲劳性能模拟

6.3.1 有限元模拟条件设置

6.3.2 实验数据结果与讨论

6.3.3 模拟结果与讨论

6.4 本章小结