具有金属内衬复合材料缠绕结构成型和使用过程的一体化分析

摘要

具有金属内衬的复合材料纤维缠绕结构以其比强度和比刚度高，抗疲劳、抗震、耐腐蚀和密封性能好以及结构的可设计性等诸多优点而被广泛地应用于航天、航空、汽车、造船、化工、机械、建筑和能源等各个工程部门。该结构成型过程一般需经历缠绕、固化和超压三个工艺阶段，此三个工艺阶段在成型过程中是连续的，各阶段的工艺参数都将会对结构的最终使用性能和承载能力带来重要的影响，为此，该文对上述结构的成型和使用过程进行一体化分析和研究。同时由于该结构在制造和使用中都不可避免地受到外来物的低速冲击，由试验结果和使用经验结果表明，在结构内部将会产生一类目视不可测损伤，譬如：树脂开裂和分层破坏等等，导致结构承载能力的显著降低，故在该文中还开展了低速冲击下该结构的损伤萌生和演化以及冲击后含损伤结构的剩余承载能力研究。 论文的主要内容： (1)提出温度参数法和一种虚-实结合、逐层实化的有限元分析策略，对复合材料缠绕结构的缠绕张力引起的自平衡应力场进行了仿真分析。同时此分析策略与迭代搜索方法相结合能实现缠绕结构等张力场要求的反问题的求解。 (2)采用以平方收敛的newton-Raphson格式的轴对称时-空有限元法，实现了对复合材料缠绕结构的固化成型工艺全过程中温度和固化度的分布及其变化规律的数值模拟研究。同时对复合材料缠绕结构进行了固化全过程的应力场分析，并应用Chang-Chang破坏准则成功判别了在固化过程中结构内的损伤情况。 (3)基于Hellinger-Reissner广义变分原理，提出了分析复合材料缠绕壳结构过程应力场的混合状态Hamilton元半解析法，建立了缠绕结构的内、外表面状态变量之间的关系。在数值模拟过程中，采用了传递矩阵技术和逐步精细积分法求解缠绕结构内、外表面状态变量未知量的方程。该方法大大地提高了应力分析(尤其是层间应力分析)的精度。 (4)采用弹塑性有限元法对具有金属内衬的复合材料纤维缠绕结构进行了超压工艺的分析。通过对结构在服役前施加适当的超压值，使结构中金属内衬进入硬化塑性阶段而保持一种合理的压缩残余应力场，从而在工作状态下，能够降低结构的金属内衬内的应力水平，同时，还能将载荷合理地转移到复合材料纤维缠绕层中，以充分发挥复合材料纤维的高强度性能，从而较大地提高整体结构的承载能力。 (5)使用基于低速冲击动力学理论的有限元分析方法分别研究了在空载和满载下具有金属内衬的复合材料纤维缠绕容器的低速冲击损伤行为。在分析过程中，考虑了几何和材料非线性、摩擦和接触等效应，并采用复合材料层合结构的损伤准则和刚度折减的方法，对损伤扩展的形状和大小进行了预测。 (6)成功地编制了具有金属内衬的复合材料缠绕结构成型和使用过程一体化的全应力场分析的软件包WOUNDUSE。 该文所提的方法和模型为复合材料纤维缠绕壳体的结构、工艺设计和优化以及安全度评估提供了一个有效的分析工具。 最后，对全文工作进行了总结，并提出了今后需进一步研究的工作内容。

目录

文摘

英文文摘

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1绪论

1.1引言

1.2复合材料纤维壳体缠绕成型工艺的研究现状

1.2.1缠绕张力工艺的研究

1.2.2固化工艺研究

1.3具有金属内衬复合材料纤维缠绕压力容器超压工艺的研究现状

1.4复合材料纤维缠绕容器使用过程中的应力分析研究现状

1.5复合材料缠绕壳体低速冲击损伤的研究现状

1.6本课题的主要研究内容

2缠绕张力场的研究

2.1引言

2.2温度参数法模拟缠绕张力工艺的过程

2.2.1基于Lame公式的缠绕张力场的计算公式

2.2.2温度参数法的理论和公式

2.3等张力工艺的设计

2.4算例及讨论

2.4.1温度参数法(TPM)模拟缠绕张力工艺过程

2.4.2等张力缠绕工艺

2.5结论

3在固化工艺中复合材料缠绕层内温度场、固化度和力学性能变化的耦合分析

3.1引言

3.2基本假定

3.3固化度数值分析

3.4瞬态热传导数值分析

3.4.1空间域上的离散

3.4.2时间域上的离散

3.4.3 Newton-Raphson算法

3.4.4时间步长的选取和集中热容技术

3.5复合材料物性参数的确定

3.5.1热力学参数的确定

3.5.2树脂弹性模量模型

3.5.3复合材料缠绕层的工程常数的确定

3.6复合材料瞬态热应力的计算

3.7复合材料结构的破坏准则

3.7.1金属内衬的失效

3.7.2复合材料缠绕层的破坏

3.8固化过程中温度、材料性质和固化度耦合问题求解策略

3.9算例及讨论

3.9.1本章算法的验证

3.9.2具有金属内衬的复合材料缠绕结构固化过程的应力场

3.10结论

4固化工艺过程应力场分析的混合状态Hamilton半解析法

4.1引言

4.2单斜晶材料热弹性轴对称问题分析的修正型泛函表达式

4.3单斜晶材料热弹性轴对称问题分析的Hamilton正则方程

4.4具有金属内衬轴对称纤维缠绕结构的混合状态Hamilton方程的半解析

4.5求解具有金属内衬复合材料纤维缠绕结构轴对称问题混合状态Hamilton方程的逐步精细积分法

4.6混合状态Hamilton方程的增量形式

4.7算例及讨论

4.7.1算例验证

4.7.2具有金属内衬缠绕压力容器

4.7.3具有金属内衬缠绕压力容器固化过程的数值模拟

4.8结论

5超压工艺过程中的应力场研究

5.1引言

5.2金属内衬的弹塑性和复合材料缠绕结构逐次破坏的刚度退化本构表达式

5.2.1金属内衬材料弹塑性本构表达式

5.2.2缠绕层复合材料的考虑逐次破坏的刚度退化本构表达式

5.3轴对称结构的弹塑性有限元列式

5.4考虑复合材料缠绕层损伤和金属内衬材料弹塑性态的容器的有限元分析策略

5.5算例及讨论

5.6结论

6在使用过程中的抗冲击性能的研究

6.1前言

6.2复合材料结构动力学的有限元控制方程

6.3冲击过程和预测冲击损伤有限元分析

6.3.1接触力的确定

6.3.2接触界面条件

6.3.3接触问题的求解策略

6.3.4损伤准则的确立

6.4算例及讨论

6.4.1验证算例

6.4.2具有金属内衬的复合材料纤维缠绕结构冲击损伤的研究

6.5结论

7缠绕—固化—超压—使用一体化全应力场分析

7.1引言

7.2成型工艺和使用过程一体化全应力场分析程序WOUNDUSE

7.3 T1000/双马来酰亚胺成型工艺全应力场分析

7.4结论

8结论与展望

8.1结论

8.2展望

创新点摘要

参考文献

致谢

博士期间发表与完成论文情况