层合板分层屈曲问题的二维理论模型与数值研究

摘要

纤维增强复合材料层合板由于其优异的力学性能广泛的应用于航空航天领域，但是由于在制造过程中的不规范、以及使用和装配过程中易受到外物冲击等原因，复合材料层合板经常会产生分层损伤现象。分层损伤会使层合结构在低载荷的作用下发生屈曲现象，随之会产生分层损伤扩展，最终会导致结构的失稳与破坏。分层损伤极大地降低了层合结构的承载能力与使用寿命，对于复合材料层合板而言是一个不容忽略的安全隐患。因此对层合结构进行分层损伤研究有着重要意义。
　　本文从理论模型和数值模拟两方面对含分层损伤复合材料进行研究。建立了一种适用于弯曲载荷作用下含分层损伤复合材料的屈曲以及后屈曲问题的二维理论模型，然后利用有限元数值模拟研究了不同尺寸、不同形状的分层损伤复合材料在弯曲载荷作用下的屈曲特性和分层扩展行为。主要研究成果如下：
　　1.建立了一种用于分析含分层损伤复合材料层合板在弯曲载荷作用下的屈曲以及后屈曲的二维理论模型，通过此模型可以进行含分层损伤层合板的临界屈曲问题以及后屈曲过程中特定载荷下的全场变形研究，模型考虑了复合材料的各向异性和层合属性，同时也考虑了未分层部分所产生的能量对于整个模型的影响。本模型适用于任意形状的分层损伤并在构建过程中加入了非线性因素，可以通过此模型来解决后屈曲问题。
　　2.利用有限元模拟，获得了分层损伤复合材料在弯曲载荷作用下的屈曲行为。对含圆形分层损伤复合材料进行研究发现，其临界屈曲载荷随着分层半径的增大而降低。屈曲刚刚发生时，分层子板呈现跳跃屈曲现象。层合板的最大承载力也随着分层半径的增大而降低，并且其临界屈曲载荷值约为最大承载力的25％。
　　3.研究了含分层损伤层合板屈曲以及分层扩展行为的影响因素，通过研究表明：
　　(1).分层损伤大大地降低了层合板的承载能力，分层损伤尺寸越大，层合板的临界屈曲载荷越小，材料越容易发生屈曲现象，而分层尺寸不会改变分层扩展方向，分层扩展方向仍向层合板宽度方向扩展。
　　(2).在相同面积的情况下，含圆形分层损伤层合板要比含矩形分层损伤层合板的屈曲临界值和最大承载力低11%，含矩形分层缺陷层合板更不易发生屈曲现象。
　　(3).低温情况下含分层损伤层合板的临界屈曲载荷值与常温情况下相同，但是由于屈曲现象引起的位移突变量要小于常温情况下的位移图变量，材料性能在屈曲发生初始阶段要好于常温情况下，但是随着载荷继续增加，低温下的层合结构所能达到的最大承载力要低于常温情况。在分层扩展方面，低温下的分层扩展面积要大于常温情况下。
　　本研究提出了含分层损伤复合材料层合板的二维理论模型，丰富了在弯曲载荷作用下分层层合板的屈曲以及后屈曲问题的研究方法。通过对含分层损伤复合材料层合板进行有限元分析，了解几何因子和温度对于复合材料临界屈曲载荷以及分层扩展路径的影响。

目录

声明

字母注释表

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.3本文主要研究工作

第二章 含分层损伤复合材料层合板屈曲以及后屈曲问题的理论模型

2.1稳定性基本概念以及屈曲分析理论

2.2复合材料单层板的力学分析

2.3 复合材料层合板的一阶剪切变形理论

2.4含分层损伤复合材料屈曲问题的理论模型

2.5 本章小结

第三章 层合板屈曲及分层扩展行为的数值研究

3.1内聚力模型方法

3.2含分层损伤复合材料层合板的有限元建模

3.3本章小结

第四章 层合板分层屈曲及其分层扩展影响因素分析

4.1含不同矩形分层面积的层合板屈曲及分层扩展行为研究

4.2含矩形、圆形分层损伤层合板屈曲与扩展行为研究

4.3不同温度下的含分层损伤复合材料层合板屈曲问题研究

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢