双稳态复合材料层合结构的粘弹性行为研究

发布时间：2017-10-26 03:15

  本文关键词：双稳态复合材料层合结构的粘弹性行为研究

  更多相关文章： 碳纤维复合材料 粘弹性 双稳态 有限元法 DMA

【摘要】：双稳态复合材料层合结构是一种具有两种稳定状态,且两种稳定状态具有不同几何构型的复合材料结构。每种稳定状态都具有一定承受载荷的能力,在适当的外载荷作用下两个稳态之间可以发生转变,并且不需要持续的外载荷来维持其稳定状态。基于以上这些特性,双稳态复合材料层合结构在追求轻量化和多功能化的航空航天方面有着广泛的发展前景。然而,在航空航天领域的应用意味着会遭遇各种各样的极端工作环境,包括高温、低温、长时间受载等情况,这都会对双稳态复合材料层合结构的性能产生很大的影响。目前,对于双稳态复合材料层合结构受环境影响的研究一般都是基于弹性模型,即只考虑材料的弹性行为而忽略粘弹性特征。而作为双稳态复合材料层合结构的主要材料的碳纤维增强树脂基复合材料是一种典型的粘弹性材料,其力学性能对温度与加载时间的变化比较敏感。因此,本文采用理论推导、实验测试和有限元模拟等方法,建立双稳态复合材料层合结构的粘弹性模型,研究了温度与加载时间对结构双稳态特性的影响。主要研究工作包括:1.利用动态力学分析仪(DMA)来测量环氧树脂基体的玻璃态转换温度、线性粘弹性区和松弛模量。根据时温等效原理将不同温度下短期的松弛模量曲线等效到同一个参考温度下,得到长期的松弛模量曲线。根据基体的粘弹性材料属性和碳纤维的弹性材料属性,利用均匀化原理和有限元模拟,建立碳纤维增强环氧树脂基复合材料的单晶胞模型,从而计算得到碳纤维复合材料的粘弹性材料属性。2.结合线性粘弹性理论与经典层合板理论(CLT),利用最小势能原理推导出在环境温度与加载时间共同作用下的双稳态复合材料层合结构的粘弹性理论模型。根据碳纤维复合材料的粘弹性材料属性通过理论计算,预测了加载时间和温度对双稳态结构第二稳态曲率的影响规律。3.利用带温度箱的拉伸试验机等实验仪器对双稳态复合材料层合结构在不同温度、不同松弛位置和加载时间下的稳态转变过程进行实验,得到Snap-through过程的载荷—位移曲线以及结构在第二稳态的两个曲率变化规律。同时通过对试件的扫描式电子显微镜(SEM)图像的观察,从微观层面来解释结构双稳态特性的变化。4.利用ABAQUS有限元软件及其子程序UMAT,根据双稳态复合材料层合结构的稳态转变实验过程,建立双稳态复合材料层合结构的粘弹性有限元模型,并对其在不同温度与加载时间下的稳态转变过程进行了有限元模拟,得到Snap-through过程的载荷—位移曲线以及第二稳态的曲率随温度和加载时间的变化规律。
【关键词】：碳纤维复合材料 粘弹性 双稳态 有限元法 DMA
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 引言11-13
• 1.2 国内外研究现状13-19
• 1.2.1 纤维增强树脂基复合材料粘弹性的研究13-15
• 1.2.2 双稳态复合材料层合结构的研究15-19
• 1.3 课题的提出及主要研究内容19-20
• 1.4 论文安排及组织结构20-23
• 第2章 碳纤维复合材料粘弹性材料属性23-35
• 2.1 粘弹性基础理论23-25
• 2.2 DMA试验25-29
• 2.2.1 玻璃态转变温度Tg的测量25-27
• 2.2.2 线性粘弹性区域（LVR）的测量27-28
• 2.2.3 应力松弛试验28-29
• 2.3 晶胞模型的有限元分析29-33
• 2.3.1 计算C_(11)(t)和C_(12)(t)30-31
• 2.3.2 计算C_(22)(t)和C_(23)(t)31
• 2.3.3 计算C_(44)(t)31-32
• 2.3.4 计算C_(55)(t)32-33
• 2.3.5 松弛模量的计算33
• 2.4 本章小结33-35
• 第3章 双稳态复合材料层合结构的粘弹性理论研究35-47
• 3.1 理论基础35-40
• 3.1.1 玻尔兹曼叠加原理35
• 3.1.2 粘弹性模型下的经典层合板理论35-39
• 3.1.3 考虑温度因素的层合板刚度关系39-40
• 3.2 双稳态复合材料层合结构的粘弹性理论模型40-42
• 3.3 双稳态复合材料层合结构的粘弹性理论分析42-45
• 3.3.1 加载时间对双稳态复合材料层合结构的影响43
• 3.3.2 温度对双稳态复合材料层合结构的影响43-45
• 3.4 本章小结45-47
• 第4章 双稳态复合材料层合结构的粘弹性实验研究47-57
• 4.1 实验准备47-49
• 4.1.1 实验试件的制备47-48
• 4.1.2 实验装置的选择48
• 4.1.3 实验结果的测量48-49
• 4.2 松弛位置对双稳态复合材料层合结构的影响49-52
• 4.3 加载时间对双稳态复合材料层合结构的影响52-53
• 4.4 温度对双稳态复合材料层合结构的影响53-54
• 4.5 SEM实验54-56
• 4.6 本章小结56-57
• 第5章 双稳态复合材料层合结构粘弹性模型的有限元研究57-67
• 5.1 双稳态复合材料层合结构的ABAQUS有限元模型57-58
• 5.2 加载时间对双稳态复合材料层合结构的影响58-59
• 5.3 温度对双稳态复合材料层合结构的影响59-60
• 5.4 理论、实验和模拟的对比60-64
• 5.4.1 加载时间对双稳态复合材料层合结构的影响的对比60-62
• 5.4.2 温度对双稳态复合材料层合结构的影响的对比62-64
• 5.5 本章小结64-67
• 第6章 结论与展望67-69
• 6.1 结论67-68
• 6.2 创新点68
• 6.3 展望68-69
• 附录69-73
• 参考文献73-79
• 致谢79-81
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果81

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本文编号：1096758