含冲击损伤复合材料层压板表面应变特征研究

摘要

碳纤维增强复合材料具有比强度、比刚度高,可设计性等特点,在许多重要工程结构中得到了广泛的应用。复合材料结构在制造和使用过程中常常会遭受到如工具坠落等低速冲击。由于复合材料层压结构对冲击损伤十分敏感,即使在冲击能量较低、结构外表面未产生勉强目视可见损伤的情况下,也会在结构内部发生诸如基体开裂、基体剪切、分层和纤维断裂等微观损伤,这些损伤将导致结构强度的大幅下降。不同的损伤类型和损伤程度会造成不同的承载性能下降:若发生较大的基体损伤和层间损伤,必然大大削弱结构的抗压性能;若发生较大的纤维损伤,必然大大削弱结构的抗拉性能。因此,对于某种特定的载荷情形,损伤区域的应变场相对于完好结构必然发生明显的应变突变。若能发现结构损伤对表面应变影响的规律与机理,并且利用现有全场应变监测技术监测识别出结构表面应变突变,进而确定层压板的损伤程度和损伤位置,对于复合材料结构的健康监测无疑具有重要意义。
　　本文采用有限元仿真以及全场数字图像相关性测量实验研究了含损伤层压板在承受载荷的情况下,表面应变特征变化情况。主要工作包括下面四个方面:
　　1.使用ABAQUS软件建立层压板有限元模型,利用Cohesive单元模拟层间损伤, Hashin准则判断层压板纤维以及基体损伤。使用“准静态”静压痕加载方法模拟结构冲击损伤,将带有损伤信息的有限元模型利用“数据传递技术”再次导入 ABAQUS软件，进行拉、压、剪载荷下的表面应变响应模拟,研究含损伤层压板表面应变突变的机理及应变变化规律。讨论了损伤识别和损伤定位的方法,为复合材料层压板的全场应变缺陷检测提供依据。
　　2.以层压梁理论为基础,推导出非对称层压板轴向刚度与抗弯刚度公式,可计算含分层子板与基板所承受的载荷。认为含分层子板局部屈曲由其抗弯刚度最大的分层决定,含有相同最大抗弯刚度分层的不同子板具有相同的屈曲载荷。若已知某种含分层子板屈曲载荷,利用所推公式可预测出含有同样最大抗弯刚度分层的其他板发生分层屈曲时的整体应变。用ABAQUS有限元分析软件进行了多种分层面积、分层深度和分层位置的分层屈曲仿真,用于检验上述方法。对比结果表明:预测公式所得计算结果与有限元结果吻合较好,可用于建立多种分层参数识别的参照样本库。
　　3.以MATLAB为平台,开发基于数字图像相关性( Digital Image Correlation,DIC)原理的二维全场应变测量软件,可迅速方便的对一系列图像进行相关性计算,求出图像相对点的位移场、应变场。利用匀质钢板进行标定实验,并与应变片测量数据、有限元模拟进行对比,结果十分接近。证明软件测量结果真实可靠,可用于测量结构表面应变与位移场。
　　4.进行多组含损伤层压板在拉、压两种载荷下的表面全场应变测量实验,结果表明基于DIC技术可检测出因损伤造成的表面应变突变且突变规律与有限元分析一致。分析了影响DIC检测效果参数。

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第一章绪论

1.1 研究意义与目的

1.2 国内外研究现状

1.3本文工作

第二章含损伤层压板表面应变有限元仿真

2.1有限元显式低速冲击模拟

2.2有限元建模方法

2.3冲击损伤模拟

2.4含冲击损伤层压板受面内载荷下表面应变分析

2.5本章小结

第三章基于局部屈曲的分层损伤检测

3.1层压板分层屈曲预测方法简介

3.2层压板分层屈曲应变预测方法

3.3含分层损伤层压板屈曲有限元模拟

3.4有限元仿真结果与理论预测值对比

3.5本章小结

第四章基于数字图像相关性原理的全场应变测量软件开发

4.1图像相关性原理

4.2软件开发环境及软件执行流程

4.3软件功能与实现方法

4.4 软件测试及软件参数影响

4.5本章小结

第五章基于表面应变突变的层压板损伤检测

5.1软件标定实验与精度对比

5.2含冲击损伤层压板拉伸载荷下全场应变测量

5.3含冲击损伤层压板压缩载荷下全场应变测量

5.4本章小结

第六章总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

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