基于形状等效和刚度折减的复合材料分层损伤分析方法

摘要

与传统金属材料相比，复合材料具有比强度和比刚度高、耐腐蚀性强、加工成型方便等优点，并且其力学性能可以根据实际需要进行有针对性的设计。在航空航天领域，复合材料已被用于主要承力构件的制造，然而由于制造工艺和环境因素的影响，复合材料构件内常常会带有各种损伤。其中，分层损伤是复合材料主要构件损伤形式之一，这类分层损伤的产生和扩展会显著降低结构强度。因此，找出简单有效的方法来研究复合材料构件的分层损伤问题具有十分重要的意义。
　　本文分析了不规则形状的分层缺陷区域等效成不同规则形状分层缺陷的效果，并在此基础上提出了含分层缺陷的复合材料层合板的整体和局部刚度折减模型，研究了含初始分层缺陷的复合材料层合板在压缩载荷作用下的屈曲和后屈曲行为。
　　采用工程中常用的包络椭圆、包络圆和包络矩形等模型对多个不规则分层缺陷区域形状进行简化，并通过有限元方法模拟含分层缺陷的层合板在压缩载荷下的力学行为，计算出等效形状分层缺陷和原不规则形状分层缺陷下的层合板分层扩展压力。计算出不同等效分层缺陷区域模型的屈曲模式和载荷-位移曲线等数据，并比较分析了三种等效方式的差异，结果表明针对本文所采用的不规则形状，包络椭圆的等效效果最好，可以有效代替原不规则形状分层缺陷来进行相关复合材料构件的分层损伤研究。
　　根据上述等效模型研究中的结果，发现分层缺陷对结构的主要影响是改变结构的屈曲临界载荷，而对结构的压缩刚度并没有显著影响。基于此，提出一种根据屈曲临界载荷变化来确定折减系数的刚度折减模型，分别采用整体刚度折减和损伤区域刚度折减两种途径。对比分析了原分层缺陷模型和刚度折减模型在相同加载条件下的载荷-位移曲线。结果表明，刚度折减模型简化了分层损伤建模的分析过程，能较好地反映含初始分层缺陷的层合板在受压时的力学行为，并大大减少了数值分析时间。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 国内外技术研究现状

1．2．1 分层屈曲

1．2．2 分层形状等效

1．2．3 刚度折减模型

1．3 本文的研究内容和方法

2 复合材料分层研究理论基础

2．1 断裂力学理论

2．1．1 应力强度因子理论

2．1．2 能量释放率准则

2．2 虚拟裂纹闭合技术

2．2．1 裂纹闭合方法

2．2．2 改进裂纹闭合方法

2．2．3 能量释放率计算公式

2．3 复合材料层合板的屈曲行为

2．4 本章小结

3 复合材料不规则形状分层区域简化方法

3．1 引言

3．2 不规则形状及等效形状分层模型说明

3．2．1 问题描述

3．2．2 边界条件及载荷

3．2．3 有限元模型

3．3 结果对比与讨论

3．3．1 不规则形状及等效形状参数对比

3．3．2 不同等效方式结果对比

3．4 本章小结

4 含分层损伤层合板刚度折减模型

4．1 引言

4．2 刚度折减方法

4．3 整体刚度折减模型

4．3．1 整体刚度折减模型构造方法

4．3．2 有限元结果对比与讨论

4．4 损伤区域刚度折减模型

4．4．1 区域刚度折减模型构造方法

4．4．2 有限元结果对比与讨论

4．5 本章小结

结论与展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢