变角度复合材料层合板静承载性能研究

发布时间：2020-06-08 16:11

【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。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB115;TB33

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