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复合材料身管的损伤研究

作　者: 杨宇宙
导　师: 钱林方
学　校: 南京理工大学
专　业: 武器系统与运用工程
关键词: 复合身管损伤类型累进破坏界面破坏准则扩展有限元法裂纹萌生和扩展周期载荷疲劳损伤应力波动态响应
分类号: TJ303.1
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

复合材料身管在使用过程中,受到高温、高压火药燃气脉冲式高速冲击作用,弹丸的挤进作用,弹带的导转作用,以及反后坐装置的轴向拉伸作用。恶劣的工作环境导致复合材料身管极易因微缺陷扩展、疲劳和过载而破坏失效,造成难以估量的生命财产损失。本文结合国内外复合材料身管的最新研究成果,借助先进的计算技术、分析方法和仿真手段,对复合材料身管的损伤问题进行了全面深入系统的分析研究,并取得一些有用的结论,为复合材料在火炮身管的应用中如何减少损伤、规避风险、预测寿命,提供强有力的理论指导和技术支撑。本文的研究内容和结论体现在以下方面：(1)复合材料中的损伤模式主要包括基体开裂、分层损伤、界面脱离、纤维断裂、纤维拔出、基体屈服等几种主要形式,根据材料不同的损伤模式,结合不同的载荷作用,建立相应的强度失效准则；基于连续介质损伤力学的理论和方法,针对复合材料身管的结构和材料组成特点,运用不可逆热力学的观点,引入损伤变量,推导出弹塑性各向同性和各向异性损伤模型；将损伤作为微细观结构属性的一部分,引入到连续介质模型之中,并用损伤演变规律来描述缺陷的形成、扩展和聚合过程。(2)复合材料身管静、动态力学特性的研究是建立在力学本构模型基础上的,层合复合材料为一种多组分的各向异性材料,文中描述了分布于整个材料介质内部的微细缺陷损伤,用损伤广义力表征微细观缺陷损伤的作用和影响；基于连续损伤介质力学,建立复合材料身管含损本构模型和损伤演化方程；采用能量的方法,推导出损伤函数和疲劳寿命的表达式；采用非线性有限元分析软件ABAQUS分别模拟了带金属内衬的复合身管在静力载荷和疲劳载荷加载下损伤破坏的全过程,分析了复合身管的损伤模式及破坏机理,并阐述了结构损伤过程中的能量耗散规律。(3)复合材料身管中破坏产生的主要原因是复杂应力作用下微裂纹的萌生和生长、基体开裂和纤维断裂,在后续加载作用下发生损伤扩展。基于断裂力学的概念和基本理论,考虑三种不同的载荷边界条件,采用能量的方法,分别推导出复合身管的裂纹动、静力学扩展模型和疲劳扩展模型,并建立了复合身管的裂纹扩展准则。采用基于线弹性破坏力学的扩展有限元法,通过本构关系预测裂纹的应力强度因子和能量释放率,结合有效应力强度因子同裂纹扩展准则建立位移矢量函数,利用软件ABAQUS进行建模仿真计算,分别研究了静载、冲击载荷和疲劳载荷作用下复合身管内的裂纹扩展问题,对比分析了起始裂纹所处位置的不同对复合材料身管损伤的影响,比较了全金属身管和复合身管破坏特性的优劣,得出复合身管中的裂纹扩展规律。(4)从应力波的生成和传播机理出发,结合复合身管的正交各向异性和材料多重性的特点,推导出柱坐标系下,复合身管中应力波传播的有限元微分方程和应力波传播速度表达式。采用动力学有限元分析软件LS-DYNA对移动压载作用下复合身管的简化模型进行建模仿真分析,关于复合身管的动载分析揭示了当压力前缘沿身管轴向移动时身管中应力应变幅值的发展规律,以及伴随应力波传播而生的共振效应。由于多重材料层合结构界面处的剪切和拉伸强度较低,高温下材料属性下降较快,且加载速率对复合材料属性影响更大,因此应力波造成的损伤扩展对复合材料身管来说更加致命。(5)开展了冲击响应实验研究,获得纤维增强复合材料和金属材料的损伤产生、扩展、演化、断裂全过程动力学参量；以复合身管的简化模型复合圆筒为研究对象开展力学仿真实验,研究不同内压冲击载荷与损伤模式、破坏过程之间的影响规律,并验证了数值仿真实验模型的合理性和有效性。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-10
目录  10-13
1 绪论  13-23
  1.1 选题背景和意义  13-14
  1.2 国内外研究现状和发展趋势  14-20
  1.3 本文主要研究内容  20-23
2 材料结构的损伤模式和损伤模型  23-40
  2.1 引言  23
  2.2 金属结构的损伤及损伤机理  23-26
  2.3 复合材料层板结构的损伤模式  26-32
    2.3.1 复合材料层板结构  26
    2.3.2 纤维间破坏(IFF)  26-29
    2.3.3 分层损伤  29-31
    2.3.4 纤维断裂(FF)  31-32
    2.3.5 复合材料层板结构的失效  32
  2.4 材料结构的损伤理论模型  32-39
    2.4.1 损伤变量的引入  33-36
    2.4.2 弹塑性各向同性损伤模型  36-38
    2.4.3 弹塑性各向异性损伤模型  38-39
  2.5 本章小结  39-40
3 复合材料身管的损伤本构和破坏准则  40-73
  3.1 引言  40
  3.2 复合身管分析计算的基本理论  40-49
    3.2.1 复合材料身管的本构关系  40-42
    3.2.2 结构的应力、应变和位移  42-48
    3.2.3 材料的损伤准则  48-49
  3.3 复合身管的损伤扩展模型  49-63
    3.3.1 模型的建立  49-55
    3.3.2 虚拟裂纹闭合法  55-60
    3.3.3 复合身管模型损伤萌生与扩展的数值模拟  60-63
  3.4 复合身管的疲劳损伤模型  63-72
    3.4.1 各种疲劳损伤模型的对比分析  64
    3.4.2 疲劳损伤耗散能模型  64-66
    3.4.3 疲劳损伤演化与寿命函数  66
    3.4.4 复合身管疲劳损伤的仿真计算  66-72
  3.5 本章小结  72-73
4 含损复合材料身管的裂纹扩展分析  73-108
  4.1 引言  73-74
  4.2 含损复合身管中裂纹的静力学扩展  74-79
    4.2.1 裂纹模式  74-76
    4.2.2 应力强度因子的求解  76-77
    4.2.3 裂纹的扩展准则  77-79
  4.3 含损复合身管中的裂纹动力学扩展  79-90
    4.3.1 动力学裂纹尖端场  79-81
    4.3.2 能量释放率和动态回路积分  81-83
    4.3.3 复合材料的裂纹动力学扩展模型  83-90
  4.4 含损复合身管中的疲劳裂纹扩展  90-98
    4.4.1 预定义裂纹  90-91
    4.4.2 单调载荷作用下层裂纹的失稳准则  91-92
    4.4.3 应力强度因子、能量释放率和桥连参数  92-94
    4.4.4 疲劳裂纹扩展准则  94-96
    4.4.5 疲劳损伤预测和材料属性下降  96-98
  4.5 复合身管中的裂纹扩展仿真计算  98-107
    4.5.1 扩展有限元法的基本概念  98-100
    4.5.2 复合身管中裂纹的稳态扩展仿真  100-104
    4.5.3 复合身管中裂纹的疲劳扩展仿真  104-107
  4.6 本章小结  107-108
5 冲击载荷引起的复合材料身管损伤与破坏  108-131
  5.1 引言  108
  5.2 应力波的生成和传播机理  108-112
    5.2.1 应力波的基本概念  108-109
    5.2.2 应力波传播基本方程  109-110
    5.2.3 应力波的传播特点  110-112
  5.3 复合材料身管中的应力波  112-119
    5.3.1 复合身管结构的基本方程  113-115
    5.3.2 应力波传播有限元微分方程  115-118
    5.3.3 复合身管中应力波的速度  118-119
  5.4 冲击引起的复合材料身管损伤与破坏  119-124
    5.4.1 应力波引起的结构断裂  119-121
    5.4.2 复合身管的几何特征对断裂的影响  121
    5.4.3 复合材料身管的动态响应与破裂  121-123
    5.4.4 复合材料身管破裂的能量理论  123-124
  5.5 冲击载荷作用下复合身管的动力学模拟  124-130
    5.5.1 LS-DYNA程序的功能和计算方法  124-125
    5.5.2 应力波与人工体积粘形  125
    5.5.3 时间积分和时间步长控制  125-126
    5.5.4 复合身管中应力波传播的仿真计算  126-130
  5.6 本章小结  130-131
6 全文工作总结  131-134
  6.1 概述  131
  6.2 本文主要工作  131-132
  6.3 创新点  132-133
  6.4 研究展望  133-134
致谢  134-135
参考文献  135-144
攻读博士期间发表的文章  144

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