开孔复合材料层合板冲击拉伸力学行为及失效机理的应变率效应研究

论文摘要

纤维增强复合材料的比强度高、比模量高、可设计性强,所以在工程实际领域得到了广泛应用。但使用在航空航天、交通轨道等领域的复合材料结构,往往会承受高应变率载荷,而不同应变率载荷下复合材料结构的性能会受到影响,开孔的存在还会改变结构的应力分布,引起严重的应力集中现象。因此,有效的预测带孔复合材料结构在不同应变率条件下的极限载荷,并模拟其损伤演化、裂纹扩展等过程以及失效模式,具有非常重大的意义。本文以玻璃纤维环氧树脂基复合材料层合板为研究对象,利用动态拉伸试验和有限元方法,研究了不带孔层合板结构和带孔层合板结构在不同的应变率载荷下的力学行为。主要研究内容和成果总结如下:（1）对带孔和不带孔结构的玻璃纤维环氧树脂基复合材料层合板进行动态拉伸试验,分析得到了该种材料的强度、最大应变、极限载荷、极限位移、纵向弹性模量等参数在不同应变率下的变化规律,以及带孔结构在孔边不同位置的应变变化规律,为数值模拟提供了对比依据。（2）基于正交各向异性材料应力-应变本构模型,根据三维Hashin失效准则及四种典型的失效模式（纤维拉伸失效、纤维压缩失效、基体拉伸失效、基体压缩失效）,考虑应变率对材料强度的强化效应,并结合不同的失效模式对材料的性能参数进行退化衰减,最后利用Fortran语言编写了VUMAT用户材料子程序,分别模拟了不带孔层合板结构和带孔层合板结构在不同的应变率拉伸载荷下,从载荷施加到发生初始损伤再到裂纹扩展最后发生断裂的整个损伤演化过程。通过该模型模拟预测出的极限载荷与试验结果相对比,验证了此模型的可行性,并结合试验和模拟的结果,重点分析讨论了带孔层合板结构孔边应力集中情况以及不同失效模式的产生情况。

论文目录

摘要

Abstract

第一章绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 渐进损伤失效分析的研究现状

1.2.2 复合材料应变率效应的研究现状

1.2.3 带孔复合材料结构的研究现状

1.3 目前研究存在的问题

1.4 本文主要研究的内容

第二章层合板动态拉伸试验研究

2.1 引言

2.2 试验设备和试验对象

2.2.1 试验设备及试验原理

2.2.2 载荷测试系统的共振

2.2.3 惠斯通电桥工作原理

2.2.4 试样的制备及规格

2.3 不带孔层合板动态拉伸试验

2.3.1 准静态拉伸试验

2.3.2 动态拉伸试验

2.4 带孔层合板动态拉伸试验

2.4.1 不同应变率下的载荷-位移试验结果

2.4.2 孔边不同位置的时间-应变试验结果

2.5 本章小结

第三章复合材料损伤破坏理论

3.1 引言

3.2 复合材料动态拉伸理论模型

3.2.1 单层板的应力-应变本构模型

3.2.2 考虑应变率效应的强度修正

3.3 复合材料损伤失效准则

3.4 复合材料刚度折减和损伤演化

3.5 用户自定义材料子程序VUMAT

3.5.1 ABAQUS分析软件简介

3.5.2 VUMAT用户材料子程序

3.6 本章小结

第四章层合板动态拉伸数值模拟研究

4.1 引言

4.2 数值模拟建模过程

4.2.1 几何模型的建立

4.2.2 材料性能的定义

4.2.3 纤维铺层方向的定义

4.2.4 网格的划分

4.2.5 分析步的建立及载荷的施加

4.3 不带孔层合板动态拉伸数值模拟结果

4.3.1 不同加载速率下应力-应变模拟结果

4.3.2 不带孔层合板的损伤演化过程

4.4 带孔层合板动态拉伸数值模拟结果

4.4.1 不同加载速率下载荷-位移模拟结果

4.4.2 孔边不同位置受力情况

4.4.3 损伤演化过程及失效机理的分析

4.5 本章小结

主要结论与展望

主要结论

创新点

展望

致谢

参考文献

附录 :作者在攻读硕士学位期间发表的论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 荆臻

导师: 田常录

关键词: 复合材料层合板,应变率效应,失效准则,动态拉伸,应力集中

来源: 江南大学

年度: 2019

分类: 工程科技Ⅰ辑

专业: 材料科学

单位: 江南大学

基金: 国家自然科学基金面上项目(No.11572140),江苏省杰出青年基金(No.BK20180031),111引智计划(No.B18027),国家“双一流”食品科学与技术学科资助项目(No.JUFSTR20190205),机械系统与振动国家重点实验室课题资助项目(No.MSV201909)

分类号: TB33

总页数: 61

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