缠绕复合材料刚度及损伤失效预测方法研究

摘要

缠绕复合材料作为结构复合材料在航空航天等领域取得了广泛的应用,国内外很多型号的火箭、导弹发动机和发射筒采用缠绕复合材料替代传统的金属材料,降低结构重量提高火箭或导弹的性能。缠绕复合材料可以获得较高的纤维含量高(最高可达80％)；便于控制制品质量稳定性:制品内表面光滑；生产效率高。对缠绕复合材料刚度、损伤失效的预测研究具有重要的理论意义及工程应用价值,本文主要开展了以下研究工作:
　　 (1)提出并建立了缠绕复合材料细观刚度模型与预测方法。基于缠绕复合材料特征单元及其周期性分布特点,将缠绕复合材料刚度视为刚度场,采用二维傅立叶级数方法,推导、建立了特征单元的细观刚度场函数和材料整体刚度矩阵:采刚数值积分利解析法相结合,推导了刚度场函数与纤维束刚度矩阵的关系式。数值算例表明,所建立的细观刚度模型与预测方法,能够很好地预测结构的刚度及其细观结构对刚度的影响。
　　 (2)基于所提出的细观刚度模型并结合逐渐累积损伤分析方法,发展并建立了缠绕复合材料结构结构分析方法,即逐渐损伤有限元分析方法。首先,建立了基于细观刚度模型的缠绕复合材料结构有限元分析技术；其次,将本文所发展的缠绕复合材料结构有限元分析技术和细观刚度模型分别引入几何人变形有限元应力应变分析和材料弹性参数退化,采用Hashin准则和材料弹性参数折减退化准则,进行结构的逐渐损伤失效分析；数值算例与试验结果对比分析表明,本文所建立结构分析方法能够反映材料内部应变分布,对不同张力方案、不同固化方案,应变有限元计算结果与试验值均吻合较好；对不同缠绕线形的缠绕复合材料圆管,可以较好的预测其轴向拉伸失效强度及轴向拉伸过程中损伤的扩展。
　　 (3)对不同缠绕线形、不同张力方案及不同固化方案加工的缠绕复合材料圆管进行轴向拉伸试验,对缠绕复合材料的应力应变、拉伸强度以及缠绕线形、张力方案和固化方案对轴向拉伸模量及轴向拉伸强度的影响等进行了试验研究。首次进行了缠绕复合材料细观结构对应力应变特性影响的试验分析。试验结果表明,缠绕复合材料的轴向应变分布不均匀,纤维束交叉区域的轴向应变大于层合区域轴向应变。张力方案及固化方案对缠绕复合材料圆管轴向拉伸模量及轴向拉伸强度有一定的影响；缠绕线形对轴向拉伸强度有较大影响。
　　 (4)对缠绕复合材料细观结构进行了试验研究,对缠绕复合材料圆管进行切割并对切割截面进行显微拍照,通过宏观目视与显微拍照两种方式,对缠绕复合材料内部纤维树脂的分布、纤维走向的变化、铺层厚度、纤维波动段的几何形状及其数学描述等细观结构特点进行了研究。研究表明,缠绕复合内部同一铺层内存在不同走向的纤维,不同走向的纤维相且交义,材料内部纤维束结合紧密,没有明显的树脂堆积区:纤维束交叉区内纤维束有波动,波动段纤维束几何形状可以采用直线模型进行模拟:缠绕张力对铺层厚度及纤维波动段长度有一定影响。