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复合材料加筋板压缩失效研究

作　者: 孙海鹤
导　师: 白瑞祥
学　校: 大连理工大学
专　业: 工程力学
关键词: 复合材料加筋板压缩失效分层压电控制
分类号: V258
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 231次
引　用: 3次
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内容摘要

碳纤维增强复合材料因其高比强度和高比刚度的优点极其适合于航空航天减重设计。复合材料结构多为薄壁结构,易发生屈曲,传统的设计方法采用保守线性理论进行复合材料设计。然而大量试验及数值分析研究工作表明复合材料结构具有良好的后屈曲性能,复合材料结构可以在结构屈曲以后继续承受可观的载荷。应用“后屈曲”结构正逐渐成为提高复合材料结构设计效率的另一种方法。屈曲发生时的局部大变形诱发多种形式的损伤,如层间破坏、层内破坏(纤维断裂、基体开裂及纤维基体剪切破坏),损伤的进一步发展最终导致结构失效。考虑后屈曲阶段几何非线性响应和损伤效应在复合材料结构应用中至关重要。为此,复合材料压缩直至后屈曲过程中失效行为研究成为众多科研工作者和设计师的首要任务。本文通过试验和数值模拟方法研究复合材料加筋壁板的压缩失效行为。设计了碳纤维增强复合材料格栅加筋壁板试件,对格栅加筋板进行了准静态压缩试验。同时应用有限元方法分析试验过程中变形发展及损伤累积过程。在压缩试验的有限元分析中,选取与实际发生屈曲模态相似的特征值屈曲模态引入完好有限元模型以近似真实试件的初始缺陷,编写刚度退化APDL程序,对复合材料格栅加筋板压缩试验进行了同时考虑材料非线性和几何非线性的有限元分析,分析压缩过程中的模态发展过程及损伤的发展演化过程。非线性有限元分析结果与试验结果符合较好,分析方法对工程设计有参考意义。进一步研究了含分层损伤的复合材料加筋板的压缩性能,讨论了加筋形式对分层损伤的影响,最后在应用PZT压电片对含分层损伤加筋板压电控制方面做了一些基础性研究工作。本文工作得到国家自然科学基金项目“考虑界面破坏的压电智能复合材料机构的失效机理(10872038)”资助。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
1 引言  8-10
  1.1 课题研究背景和意义  8-9
  1.2 本文主要工作  9-10
2 复合材料加筋板结构分析概述及压电基础  10-32
  2.1 复合材料一阶剪切理论  10-15
    2.1.1 位移模式  10-11
    2.1.2 应力应变关系  11-13
    2.1.3 横向剪应力修正  13-14
    2.1.4 应力、力和力矩计算  14-15
  2.2 复合材料破坏形式  15-17
    2.2.1 纤维破坏  16
    2.2.2 屈曲  16
    2.2.3 基体开裂  16
    2.2.4 分层破坏  16-17
    2.2.5 蒙皮-筋条脱粘  17
  2.3 复合材料损伤模型  17-25
    2.3.1 强度理论  17-20
    2.3.2 断裂力学  20-23
    2.3.3 损伤力学  23-25
  2.4 复合材料加筋板后屈曲分析  25-28
    2.4.1 解析法与数值方法  25-26
    2.4.2 显式分析与隐式分析  26
    2.4.3 后屈曲关键问题  26-28
  2.5 压电材料基本理论  28-32
    2.5.1 压电效应  28-29
    2.5.2 逆压电效应  29-30
    2.5.3 压电材料有限元  30-32
3 复合材料格栅加筋板压缩试验及有限元分析  32-43
  3.1 试验部分  32-34
    3.1.1 试件设计  32
    3.1.2 试验过程  32-33
    3.1.3 试验结果  33-34
  3.2 有限元分析部分  34-43
    3.2.1 计算模型  34-35
    3.2.2 分析方法  35-38
    3.2.3 结果与讨论  38-43
4 含圆形分层加筋板压缩性能及其压电控制  43-54
  4.1 筋下分层损伤加筋板压缩性能分析  43-48
    4.1.1 分析模型  44-45
    4.1.2 数值结果与讨论  45-48
  4.2 圆形分层损伤加筋板的压电控制  48-54
    4.2.1 计算模型  48-49
    4.2.2 数值结果与讨论  49-54
结论  54-55
参考文献  55-60
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  60-61
致谢  61-63

复合材料加筋板压缩失效研究

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