复合材料层合板真空辅助湿铺贴挖补修理分析方法研究

摘要

随着航空航天、风力发电、高速列车、船舶工业、汽车工业等行业快速发展的需要,具有比强度、比刚度高,可设计性强,抗疲劳优良等特点的复合材料层合板,得到了越来越广泛的应用。但复合材料层合板在制造、运输以及使用过程中难免产生各种损伤,从而影响复合材料结构件的安全性能。因此对损伤后的复合材料层合板进行修理以达到结构使用的刚度以及强度要求,具有重大的实用价值。本文主要研究了复合材料层合板真空辅助湿铺贴挖补修理的分析方法。
　　首先发展了用于模拟此类挖补修理结构中复合材料单层破坏的各向异性连续损伤本构模型,其中综合考虑了纤维拉伸压缩破坏、基体拉伸压缩破坏、厚度方向拉伸压缩破坏以及1-2平面和1-3平面内的剪切非线性现象,通过采用基于应变的Hashin准则解决了损伤前后应力准则不连续问题;同时本文在充分考虑二次固化界面无厚度特征后,假设复合材料母板和补片通过接触相互粘接在一起,采用双线性cohesive损伤模型模拟粘接属性,分别描述了纯模式及混合模式下其损伤状态变量的计算公式。
　　采用双线性 cohesive损伤模型对双悬臂梁(DCB)和端部缺口弯曲(ENF)试件进行了裂纹扩展理论分析,通过与梁理论、修正梁理论以及弹性地基梁模型结果进行对比验证了此理论分析的准确性,探讨了双线性损伤模型中参数变化对试验载荷-位移曲线和黏聚区长度的影响,为双线性cohesive损伤模型参数的选取提供了理论指导。
　　基于遗传算法建立了力学问题中本构模型参数的识别方法,基于试验测量和参数识别模型正分析所得载荷-位移曲线之间的误差平方和定义了适应度函数,编写了MATLAB程序实现了此参数识别方法。采用铺层结构为(00,900,450,-450)s的ASTM标准开孔拉伸试件作为复合材料单层损伤本构模型中剪切非线性因子和损伤速率影响因子的参数识别模型;选用DCB和ENF试件作为二次固化界面双线性损伤参数识别模型,用于界面刚度、界面点强度、界面断裂韧性的取值。通过假设“真实值”进行数值仿真分析验证了参数识别模型的可靠性和有效性。
　　根据复合材料层合板真空辅助湿铺贴挖补修理工艺流程分别制作了三种不同打磨角度和不同阶梯宽厚比的斜面形和阶梯形修理试验件,通过试验研究获得了各试验件指定点弹性应变值以及拉伸极限载荷,对试验过程观察获得了两种挖补修理方式的破坏过程,并得到了最终破坏模式。
　　通过对真空辅助湿铺贴挖补修理结构中母板和补片构型进行微观分析,进行适当简化建立了合理的斜面形和阶梯形挖补修理截面模型。分别对两种修理方式试验件建立了三维有限元模型,采用复合材料连续损伤本构模型模拟层合板单层破坏、采用基于双线性cohesive损伤模型的接触分析模拟二次固化界面破坏,分别对两种挖补修理方式的破坏过程进行了模拟研究,通过与试验结果进行对比验证了此模型的有效性,最后研究了修理参数(打磨角度、阶梯宽厚比)变化对挖补修理结果的影响。

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图表清单

注释表

缩略厘词

第一章 绪 论

1.1 引 言

1.2 复合材料修理技术

1.3 挖补修理分析研究现状

1.4 现有工作存在的问题

1.5 本文的内容安排

第二章 复合材料层合板挖补修理损伤模型

2.1 引 言

2.2 复合材料损伤模型

2.3 二次固化界面开裂模型

2.4 参数确定

2.5 小 结

第三章 复合材料断裂韧性试件的裂纹扩展分析

3.1 引 言

3.2 理论分析

3.3 分析与讨论

3.4 小 结

第四章 损伤模型参数识别

4.1 引 言

4.2 参数识别方法

4.3 复合材料损伤本构参数识别

4.4 二次固化界面参数识别

4.5 小 结

第五章 真空辅助湿铺贴斜面形挖补修理研究

5.1 引 言

5.2 试验研究

5.3 有限元模拟

5.4 分析与讨论

5.5 小 结

第六章 真空辅助湿铺贴阶梯形挖补修理研究

6.1 引言

6.2 试验研究

6.3 有限元模拟

6.4 结果及讨论

6.5 小结

第七章 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文及专利