纤维缠绕复合材料结构刚度预测模型与力学分析方法研究

摘要

现代高性能飞行器为了获得高的机动性能、提高结构的维护性和可靠性大多采用先进材料与结构。纤维增强复合材料以其高的比强度、比刚度、抗疲劳、减振、耐高温、可设计等优点而迅速在航空、航天、能源、交通、建筑、机械、生物医学和体育运动等部门日益得到广泛的应用。在复合材料的各种成型工艺中，缠绕成型制品以其缠绕规律、缠绕线型以及缠绕角可设计；缠绕制品可靠性高；生产效率高；成本低等优点而在复合材料制品中占有重要地位。 本文简要介绍了纤维缠绕复合材料缠绕线型及其影响因素。重点研究了纤维缠绕复合材料的强度、刚度、非线性以及损伤破坏；并研究了缠绕线型对缠绕复合材料的影响。主要研究工作如下： （1）介绍了影响纤维缠绕几何线型的缠绕参数；并对这几个参数之间的关系进行了函数推导；给出了由不同缠绕参数计算缠绕线型的流程图，并用ANSYS的APDL语言对其编写成为宏文件，供本文后续章节使用。用正弦曲线模拟纤维之间的交织情况，用椭圆模拟纤维端面，推导了纤维缠绕复合材料的体积分数表达式。以上述研究工作为基础，结合UG的GRIP语言建立了两个典型的缠绕参数所对应的不同RVE实体单元模型。 （2）用有限元方法，以ANSYS软件为技术平台，对（1）中所建立的代表性体积单元模型施加六组独立的边界约束条件和载荷；考虑纤维之间的交织影响，对以上两种RVE单元实体模型进行了等效模量的研究。并通过与实验结果的对比，验证了该方法的正确性。研究过程中提出了一种“子单元”的概念，有效的降低了计算时间、提高了计算精度。弹性模量E11，E22随纤维交叠数的增加而增加。这与已有文献[1～4]预测结果相反，而与试验[5]结果一致。这可解释为当纤维束之间的交叠数增加时，纤维与纤维之间摩擦力也增加，除了纤维轴向承受与单向直纤维一样的轴向拉伸力外，还多了一项轴向摩擦力，因而交叠数多的复合材料能承受更大的轴向负荷，即轴向刚度提高。弹性模量E33基本不随纤维交叠数的变化而变化。G12基本不随纤维交叠数变化而变化；剪切模量G23随纤维交叠数的增加而增加，当复合材料为纤维之间没有交叠的层合板时，其面内剪切强度因纤维与基体间的界面剪切强度较低而较低；当存在纤维之间的交叠时，交叠纤维会因为沿纤维方向的力产生沿厚度方向的分力，复合材料以纤维拉力的形式承担了一部分面内剪切力，因而剪切刚度会随纤维交叠数的提高而提高；剪切模量G13随纤维交叠数的增加先增加后减小。泊松比u12随纤维交叠数的增加而增加；泊松比u23，u13随纤维交叠数的增加而减小。 （3）将（2）中所得到的正交各向异性弹性常数应用到纤维缠绕复合材料壳体上，对纤维缠绕复合材料壳体的受力过程在弹性阶段范围内进行了研究。给出了应力沿半径的分布情况。 （4）给出了考虑几何非线性的完全Lagrangian网格的控制方程和虚功原理；结合ANSYS的非线性求解器，首先对铝筒进行了几何非线性分析；编制了通用的APDL程序；并与各向同性材料的理论解进行了对比，验证了程序的正确性。将纤维缠绕复合材料壳体的正交各向异性弹性常数代入到计算铝筒的APDL程序中，对纤维缠绕复合材料壳体进行了几何非线性研究。并与（3）中的线性求解结果进行了对比。 （5）针对纤维缠绕复合材料壳体在缠绕成型过程中所产生的预应力，对其进行预应力研究。给出了各应力分量沿半径的变化规律：考虑预应力时复合材料壳体环向应力比不考虑预应力时，沿半径方向先减小后増大；考虑预应力时复合材料壳体径向应力沿半径方向比不考虑预应力时大；考虑预应力时复合材料壳体径向位移沿半径方向比不考虑预应力时小。 （6）采用三维模型的Hashin失效判据，并结合三维模型失效准则对纤维缠绕复合材料壳体进行了逐渐累积损伤研究。给出了考虑逐渐累积损伤的纤维缠绕复合材料壳体载荷位移曲线。