热力耦合载荷下无内衬复合材料贮箱力学行为分析

摘要

低温推进剂贮箱是航天运载器的核心组件，也是航天运载器发动机能量的来源。为了降低发射成本，提高运载能力，航天运载器正在朝大型、轻质化的方向发展，使用无内衬复合材料贮箱具有深远的战略意义。然而，由于无内衬复合材料贮箱工作环境恶劣，极易因温度过低导致复合材料缠绕层发生基体开裂，进而由液体燃料泄漏引发贮箱结构盛装性的功能失效，因此对结构的安全性要求极高，但目前针对无内衬复合材料贮箱使用特点的低温失效分析还鲜有报道。
　　首先，本文基于复合材料单胞分析模型，选取不同针对基体进行强度校核的失效准则，分别对比了宏观准则与微观准则、微观准则之间对低温下复合材料基体开裂失效的预测结果，从中选出了在低温失效分析中最为适用的失效准则;并讨论了考虑材料热力学性能随温度变化和不同铺层形式对低温下复合材料基体开裂的影响。随后，提出了基于单胞分析模型的复合材料渐进损伤分析方法，该方法实现了复合材料跨尺度结构响应与渐进损伤的一体化分析;并通过层合板算例表明了该方法进行低温失效分析时的必要性和优越性。最后，对一无内衬复合材料贮箱模型进行了渐进损伤分析，对比不同载荷下采用传统渐进损伤分析方法和基于单胞分析模型的渐进损伤分析方法时无内衬贮箱结构的损伤演化状态和极限承载性能，并讨论了考虑材料热力学性能随温度变化对无内衬复合材料贮箱极限承载性能的影响。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 低温复合材料贮箱的研究概况

1．3 复合材料失效分析的研究概况

1．3．1 复合材料细观力学方法研究概况

1．3．2 复合材料强度理论研究概况

1．4 本文主要研究内容

2 低温下复合材料的基体开裂

2．1 引言

2．2 复合材料单胞分析模型

2．2．1 代表体积元模型

2．2．2 细观力学有限元模型

2．2．3 微观应力场叠加模型

2．3 基体开裂失效准则

2．3．1 Tsai-Wu准则

2．3．2 Hashin准则

2．3．3 最大应力准则

2．3．4 修正的Hashin准则

2．3．5 修正的Von Mises准则

2．4 低温下复合材料基体开裂分析

2．4．1 宏观准则与微观准则对基体开裂失效的预测

2．4．2 不同微观准则对基体开裂失效的预测

2．5 低温下复合材料基体开裂失效分析的影响因素

2．5．1 考虑材料热力学性能随温度变化对低温下基体开裂的影响

2．5．2 不同铺层形式对低温下基体开裂的影响

2．6 小结

3 基于单胞分析模型的复合材料渐进损伤分析方法

3．1 引言

3．2 复合材料结构的渐进损伤分析

3．2．1 传统渐进损伤分析方法

3．2．2 基于单胞分析模型的渐进损伤分析方法

3．3 算例

3．4 小结

4 热力耦合载荷下无内衬复合材料贮箱渐进损伤分析

4．1 引言

4．2 材料的刚度折减和无内衬贮箱的最终失效

4．2．1 刚度折减方案

4．2．2 最终失效模式

4．3 建立模型

4．3．1 几何模型

4．3．2 有限元模型

4．4 算例及结果分析

4．4．1 无内衬复合材料贮箱渐进损伤分析

4．4．2 考虑材料热力学性能随温度变化对贮箱极限承载性能的影响

4．5 小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢