聚合物基织物芯输送带损伤分析及剩余强度可靠性研究

发布时间：2017-04-10 21:38

  本文关键词：聚合物基织物芯输送带损伤分析及剩余强度可靠性研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：输送带作为带式输送机上的牵引构件和承载构件,是带式输送机最重要的组成部分。聚合物基织物芯输送带是一种特殊的复合材料,具有非均匀性、多组分性、分层性和各向异性等特点。在微观尺度上,它是组份材料的复合,结构特征明显;在宏观尺度上,它又是复合材料的进一步复合的层合结构;同时,在其加工和使用过程中极易出现损伤。损伤将使其力学性能劣化、寿命降低,因此对输送带结构力学性能的研究,离不开对其损伤过程的分析。输送带的损伤呈现多尺度、多阶段、多模式的特点,相对于各向同性材料和一般的均质各向异性材料而言,对其损伤及损伤演化机制的研究要复杂和困难的多。因此,根据输送带与其层合结构的真实状态,对其力学性能分析和破坏机理进行研究,既对聚合物基复合材料抗冲击性能的评估及损伤预测十分重要,又具有很强的工程意义和应用价值。本文首先阐述了聚合物基复合材料的线性粘弹性本构关系。然后考虑聚合物基复合材料在冲击载荷作用下的织物纤维断裂、基体开裂、织物纤维与基体脱离和分层四种损伤模式,由实体单元模拟基体损伤,由内聚力模型CZM进行预测分层损伤,应用材料子程序VUMAT将聚合物基织物芯输送带损伤准则及损伤后的材料演化规律植入到ABAQUS有限元计算程序中,得到了聚合物基织物芯输送带在冲击载荷下的损伤,将预测结果与实验结果进行比较,发现两者相吻合,验证了计算模型、子程序和损伤准则的正确性。通过用户自定义场变量程序USDFLD和VUMAT,将渐进损伤方法植入到ABAQUS有限元计算程序中,模拟了含孔洞聚合物基织物芯输送带的剩余拉伸极限强度问题。结合有限元数值计算和正交试验设计方法求得了含损伤的聚合物基织物芯输送带剩余极限强度响应样本。使用BP神经网络技术对剩余极限强度响应进行拟合,获得了剩余极限强度关于输送带力学性能参数和其结构几何参数的显式表达式,对含损伤的聚合物基织物输送带进行了基于FOSM的可靠性分析。使用矩阵微分技术,进一步推导出了各个材料属性参数和其结构几何参数对含损伤的聚合物基织物输送带极限强度可靠度的敏度。基于集合理论凸方法中的凸模型方法,推导出其非概率可靠性指标。利用支持向量机技术得到了含损伤的聚合物基织物输送带剩余极限强度关于输送带不确定性参数的显式表达式,进而计算出此含损伤的聚合物基织物输送带的非概率可靠度。
【关键词】：输送带 聚合物基复合材料 粘弹性 非线性行为 损伤 剩余极限强度 可靠性分析
【学位授予单位】：太原科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB33;TH22
【目录】：

• 中文摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 符号说明11-15
• 第一章 绪论15-26
• 1.1 聚合物基复合材料层合板建模及主要力学特性16-19
• 1.1.1 聚合物基复合材料层合板力学建模16-17
• 1.1.2 复合材料层合板蠕变行为描述17-19
• 1.2 冲击载荷作用下聚合物基复合材料损伤及其研究现状19-21
• 1.3 输送带力学模型与分析方法21-24
• 1.3.1 输送带问题的力学分析研究现状22-23
• 1.3.2 输送带问题的力学分析研究思路23-24
• 1.4 本文结构安排24-26
• 第二章 聚合物基织物芯输送带粘弹性本构关系26-39
• 2.1 线粘弹性力学模型与一维粘弹性本构关系26-32
• 2.1.1 粘弹性模型27-30
• 2.1.2 一维积分型本构关系30-32
• 2.2 三维各向同性线粘弹性本构关系32-34
• 2.2.1 三维线粘弹性积分型本构关系32-33
• 2.2.2 平面应力状态下线粘弹性积分型本构关系33-34
• 2.3 聚合物基复合材料的线粘弹性本构34-37
• 2.4 本章小结37-39
• 第三章 聚合物基织物芯输送带损伤模型及数值分析39-57
• 3.1 线粘弹性各向异性损伤模型39-43
• 3.1.1 正交各向异性单层板强度理论39-41
• 3.1.2 单层板线粘弹性损伤模型41-43
• 3.2 聚合物基复合材料面内累积损伤模式43-46
• 3.2.1 面内损伤判据44-45
• 3.2.2 面内损伤材料性能退化方案及ABAQUS中实现45-46
• 3.3 聚合物基复合材料层间累积损伤模式46-49
• 3.3.1 粘结区域的本构模型46-48
• 3.3.2 层间开裂准则48
• 3.3.3 分层损伤在ABAQUS中实现48-49
• 3.4 冲击载荷作用下聚合物基织物芯输送带损伤分析49-56
• 3.4.1 聚合物基织物芯输送带有限元模型50
• 3.4.2 冲击过程中冲击物与输送带之间的接触算法50-51
• 3.4.3 聚合物基织物芯输送带冲击损伤分析数值实现流程51
• 3.4.4 算例分析51-56
• 3.5 本章小结56-57
• 第四章 含损伤的聚合物基织物芯输送带的剩余极限强度57-66
• 4.1 含孔洞复合材料层合板损伤模式58-59
• 4.2 含孔洞复合材料层合板刚度退化59
• 4.3 含孔洞的聚合物基织物芯输送带剩余极限强度在ABAQUS中实现59-65
• 4.3.1 用户定义场变量USDFLD59-60
• 4.3.2 用户材料子程序UMAT60-61
• 4.3.3 算例分析61-65
• 4.4 本章小结65-66
• 第五章 含损伤聚合物基织物芯输送带剩余强度可靠性分析66-79
• 5.1 基于神经网络的概率可靠性分析67-71
• 5.1.1 BP神经网络的结构和训练算法67-68
• 5.1.2 BP神经网络拟合应力响应68-69
• 5.1.2.1 神经网络训练样本的确定和模型的建立69
• 5.1.2.2 神经网络学习及其泛化能力的测试69
• 5.1.3 可靠性分析与推导69-71
• 5.1.4 可靠性分析结果与讨论71
• 5.2 基于支持向量机的非概率可靠性分析71-77
• 5.2.1 基于凸集模型非概率结构可靠性分析71-74
• 5.2.1.1 凸模型的描述71-73
• 5.2.1.2 非线性SVR原理73-74
• 5.2.2 基于SVR的含损伤聚合物基织物芯输送带极限剩余强度非概率可靠性分析74-77
• 5.2.2.1 样本抽取策略74-75
• 5.2.2.2 基于LibSVM的支持向量机回归训练75
• 5.2.2.3 非概率可靠度指标的计算75-77
• 5.3 本章小结77-79
• 第六章 结论与展望79-82
• 6.1 主要结论79-80
• 6.2 主要贡献80
• 6.3 展望80-82
• 参考文献82-87
• 致谢87-88
• 硕士期间参与的科研项目、发表的学术论文、所获奖励和荣誉88-90

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