变角度复合材料层合板静承载性能研究

论文摘要

具有比强度大、比刚度高等优势,复合材料在航空航天、汽车等领域得到了广泛的应用。自动铺丝技术的发展使得碳纤维增强复合材料的纤维可以在单层内按照预设的轨迹铺放,不再受限于传统的±45°、0°和90°的直线形式。这样的发展极大地扩展了铺层设计的空间,为更大程度上发挥材料的性能提供了便利条件。屈曲是复合材料薄壁加筋结构的重要破坏形式之一,将变角度铺设引入加筋结构可以提供结构的极限荷载。本文主要开展了曲线铺放的复合材料层合板、加筋平板结构的压缩、剪切和拉伸失效研究。在此基础上开发了变角度复合材料层合板屈曲计算程序和加筋平板结构压溃分析标准化工具模块。首先,进行了变角度复合材料有限元分析的列式推导,得到了线性屈曲、非线性屈曲的控制方程,在此基础上自主开发了计算变角度复合材料有限元静力分析、线性屈曲分析软件。经过大量算例的计算结果对比,证明了其计算结果误差在5%以内。其次,将上述分析方法拓展到功能更为全面的商业软件中,通过二次开发,建立了基于有限元方法的变角度复合材料加筋平板结构的压溃分析模型,进而用于开展结构和失效模式更为复杂的变角度复合材料加筋平板结构的承载能力分析。对不同工况下、不同加筋形式、不同铺层设计下的加筋平板进行了压溃分析,得到了优于传统铺层的变角度铺放形式。分析了初始几何缺陷、黏性系数、横肋设计、横肋离面位移约束对屈曲模态、极限承载能力的影响。确定了拉剪工况下,在多项式铺设轨迹下,帽形加筋平板曲线铺设轨迹的T0和T1取值范围。第三,与压缩分析相比,复合材料结构的拉伸分析相对简单,但也是复合材料静载分析的重要指标,本文亦开展了变角度复合材料层合板的拉伸行为研究。测定了变角度复合材料层合板的拉伸强度,并对其失效行为进行了模拟。依照变角度铺丝方案,将开孔板最大主应力的方向离散到开孔板有限元计算模型中,得到了优于传统铺层的失效强度,证明了变角度铺设的优异性。最后,基于以上加筋平板压溃分析的计算方法,以商业软件ABAQUS作为求解器,开发了加筋平板结构压溃分析模块,为工程应用提供了方便有效的工具软件。

论文目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 纤维曲线铺放的变角度复合材料结构屈曲分析研究进展

1.3 曲线铺放方法解决开孔补强问题的研究进展

1.4 本文主要研究工作

2 变角度复合材料有限元分析及自主软件开发

2.1 轨迹定义

2.2 损伤演化模型

2.3 有限元列式推导

2.3.1 单元弹性矩阵

2.3.2 单元形函数及单元应变矩阵

2.3.3 几何刚度矩阵（初应力刚度矩阵）

2.4 屈曲分析理论

2.4.1 线性屈曲

2.4.2 非线性屈曲

2.5 软件开发环境介绍

2.6 有限元分析流程

2.7 变角度复合材料专用程序算例验证

2.7.1 传统复合材料层合板静力计算

2.7.2 变角度复合材料层合板静力计算

2.7.3 变角度复合材料层合板线性屈曲计算

2.8 本章小结

3 基于商业软件二次开发的变角度复合材料加筋平板屈曲失效分析

3.1 不同铺放轨迹的工字形加筋平板压溃分析

3.1.1 数值模型的建立

3.1.2 线性屈曲分析

3.1.3 后屈曲分析

3.1.4 初始几何缺陷及黏性系数对屈曲模态的影响

3.2 不同铺放轨迹的帽形加筋平板压溃分析

3.2.1 横肋对屈曲行为的影响

3.2.2横肋离面位移约束对屈曲行为的影响

3.2.3 几种典型曲线铺放轨迹的压溃分析

3.3 拉伸剪切工况下的帽形加筋平板屈曲性态研究

3.3.1 数值模型的建立

3.3.2 拉剪耦合对屈曲行为的影响

3.3.3 影响屈曲行为的最优角度范围确定

3.4 本章小结

4 复合材料开孔板拉伸失效分析和补强分析

4.1 变角度复合材料层合板单轴拉伸强度测试

4.1.1 试件设计及强度参数

4.1.2 试验设备及测试方法

4.1.3 试验结果分析

4.2 变角度复合材料开孔板单轴拉伸失效分析

4.2.1 结构尺寸与材料参数

4.2.2 曲线铺放的角度获取

4.2.3 变角度复合材料开孔板的拉伸失效分析

4.3 本章小结

5 复合材料加筋平板屈曲标准化工具模块开发

5.1 软件开发环境介绍

5.1.1 Python语言

5.1.2 集成开发环境

5.1.3 图形界面开发

5.2 内核编程及内核与GUI交互

5.3 程序功能说明

5.3.1 概况

5.3.2 功能说明

5.4 此软件开发的必要性

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 武文

导师: 白瑞祥

关键词: 变角度铺放,屈曲,加筋平板,开孔板增强,材料失效

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,工程科技Ⅱ辑

专业: 数学,材料科学,工业通用技术及设备

单位: 大连理工大学

基金: 国家自然科学基金项目《含缺陷自动铺丝复合材料构件的损伤失效机理研究》

分类号: TB115;TB33

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.001767

总页数: 83

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