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热塑性层合板弯曲层间宏细观非线性力学行为研究

作　者: 苏益士
导　师: 沈珉
学　校: 天津大学
专　业: 固体力学
关键词: AS4/PEEK层合板各向异性弹塑性本构关系弯曲子模型 ABAQUS
分类号: TB33
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

分层损伤是热塑性复合材料AS4/PEEK层合板失效破坏的重要原因之一,对弯曲载荷下层间应力、应变及位移和自由边缘效应的定量分析是评价该层合板结构失效及破坏的重要基础。本文在C.T.Sun等人单参数弹塑性本构关系的基础上,推导了相应的有限元列式,编写了相应的ABAQUS用户子程序。建立了[0/90]3s、[±25]s4和[0/±45/90]2s层合板的有限元模型,在弯曲载荷下,分析了这些层合板的层间应力、应变及位移和自由边缘效应;给出了层间应力、应变及位移在长度方向x,宽度方向z及厚度方向y的分布。结果表明:在弯曲时,三种层合板在受拉和受压一侧都存在明显的自由边缘效应;对[±25]s4层合板,层间剪应力在±25层间自由边缘处有较高的应力集中,是分层的主要原因。利用子模型技术,建立了含纤维-基体两相材料的细观层间弹塑性子模型,分析了AS4/PEEK层合板在弯曲时,自由边缘分层对几何层间附近纤维-基体界面应力分布的影响。结果表明:在几何层间界面处,相邻纤维之间的纤维-基体界面附近的应力值较大;自由边缘效应在靠近自由表面半个单胞直径范围内急剧影响层间应力分布;纤维离几何层间界面越近,纤维-基体界面附近的应力越大。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-13
  1.1 先进复合材料研究背景  8-10
    1.1.1 先进复合材料简述  8
    1.1.2 纤维增强复合材料本构关系的研究历史  8-9
    1.1.3 纤维增强层合板复合材料弯曲问题研究  9-10
  1.2 AS4/PEEK 复合材料层合板研究现状  10-12
    1.2.1 数值研究方面  10-11
    1.2.2 实验研究方面  11-12
    1.2.3 实验室经验积累  12
  1.3 本文的主要研究工作  12-13
第二章 AS4/PEEK 热塑性层合板的本构关系  13-24
  2.1 经典的塑性增量本构关系理论  13-16
    2.1.1 Prandtl-Reuss 理论（对理想弹塑性材料）  13-15
    2.1.2 Levy-Mises 理论（对理想刚塑性材料）  15-16
    2.1.3 塑性位势理论  16
  2.2 经典的塑性屈服准则  16-18
    2.2.1 特雷斯卡（Tresca）准则  16-17
    2.2.2 米赛斯（Von-Mises）屈服准则  17
    2.2.3 杜拉克－普拉格(Drucker-Prager)屈服准则  17
    2.2.4 希尔(Hill)正交各向异性屈服准则  17-18
  2.3 SUN 提出的关于AS4/PEEK 层合板的弹塑性本构关系  18-24
    2.3.1 等效应力(σ|-)及等效塑性应变增量dε表达式  18-19
    2.3.2 应变率(ε|·)对本构关系参数A 及n 的影响  19-20
    2.3.3 温度对本构关系参数A 及n 的影响  20-21
    2.3.4 AS4/PEEK 单层板的Off-axis 实验  21-24
第三章 AS4/PEEK弹塑性本构关系有限元列式推导及ABAQUS用户子程序编制  24-45
  3.1 ABAQUS 概述  24-25
  3.2 ABAQUS 中塑性应变张量求解理论  25-31
    3.2.1 Mises 塑性应变张量  25-29
    3.2.2 C.T.Sun 塑性应变张量  29-31
  3.3 材料非线性的弹塑性计算问题  31-35
    3.3.1 弹塑性计算方法概述  31-32
    3.3.2 ABAQUS 中各向同性材料的弹塑性矩阵  32-34
    3.3.3 横观各向同性材料A54/PEEK（C.T.Sun）的弹塑性矩阵  34-35
  3.4 材料的强化理论  35-40
    3.4.1 基本的强化理论  35-36
    3.4.2 ABAQUS 中强化问题的处理方法  36-37
    3.4.3 ABAQUS 中强化理论的表达  37-40
  3.5 ABAQUS 软件中的用户子程序  40-45
    3.5.1 ABAQUS 用户子程序概述  40
    3.5.2 用户材料子程序UMAT 概述  40-42
    3.5.3 UMAT 在ABAQUS 中的调用过程  42-43
    3.5.4 用户子程序的使用小技巧  43-45
第四章 AS4/PEEK 热塑性层合板弯曲的层间行为分析  45-64
  4.1 AS4/PEEK 单层板的三维各向异性材料性能  45-46
  4.2 [0/90]_(3S) 层合板三点弯曲的层间效应及自由边缘效应  46-51
    4.2.1 [0/90]_(3S) 三点弯有限元模型  46
    4.2.2 [0/90]_(3S) 三点弯模型离散网格  46-47
    4.2.3 在x=0 横截面处层间效应分析  47-49
    4.2.4 在z=b 处自由边缘效应分析  49-51
  4.3 [±25]_(S4) 层合板三点弯曲的层间效应及自由边缘效应  51-57
    4.3.1 [±25]_(S4) 三点弯有限元模型  51-52
    4.3.2 [±25]_(S4) 三点弯模型离散网格  52
    4.3.3 在x=0 横截面处层间效应分析  52-55
    4.3.4 在z=b 处自由边缘效应分析  55-57
  4.4 [0/±45/90]_(2S)层合板三点弯曲的层间效应及自由边缘效应  57-62
    4.4.1 [0/±45/90]_(2S) 三点弯有限元模型  57-58
    4.4.2 [0/±45/90]_(2S) 三点弯模型离散网格  58
    4.4.3 在x=0 横截面处层间效应分析  58-60
    4.4.4 在z=b 处自由边缘效应分析  60-62
  4.5 本章小结  62-64
第五章厚层合板弯曲层间细观行为的数值分析  64-77
  5.1 AS4 纤维和PEEK 基体的材料参数  64-65
  5.2 不同层间细观子模型数值分析  65-73
    5.2.1 0/90 层间细观子模型  65-67
    5.2.2 -25/25 层间细观子模型  67-70
    5.2.3 -45/90 层间细观子模型  70-73
  5.3 0/90 富树脂层效应分析  73-76
  5.4 本章小节  76-77
第六章全文总结  77-79
  6.1 工作总结  77
  6.2 主要结论  77
  6.3 进一步工作  77-79
参考文献  79-82
发表论文和参加科研情况说明  82-83
致谢  83

热塑性层合板弯曲层间宏细观非线性力学行为研究

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