复合材料结构准静态压剪渐进失效机理研究

发布时间：2018-02-06 04:23

本文关键词： 复合材料准静态压剪 X射线断层成像有限元渐进失效模型　出处：《上海交通大学》2015年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：复合材料是一种性能优良的新型材料/结构,具有比强度和比刚度高、耐腐蚀、耐摩擦以及密度低等优良性能优点,因此广泛应用于大型航空航天、建筑、风力发电叶片、轨道交通、航海、以及压力容器等重要工程领域。复合材料结构形式多样,有常规单向纤维增强的复合材料层压板,编织织物增强的复合材料层压板以及一些混杂结构,例如夹层板。典型的复合材料蜂窝夹层板由两层刚度较大的复合材料面板和中间的轻质夹芯组成。这种结构的优势是可以大幅度增加结构的抗弯刚度,提高结构承载效率,并且兼具隔音隔热等附加功能。在实际工程应用中,复合材料结构会受到各种载荷的作用,当载荷集中在局部时,可能会造成局部的损伤甚至被穿透。国内外有学者运用准静态压剪试验来分析复合材料穿透损伤的演化机理以及局部破坏对整体结构的影响并取得了很好的效果。然而对于不同结构形式的复合材料结构的失效机理研究,还需要更加深入细致的工作,才能为复合材料抗穿透性能的优化设计提供支持。本文首先总结了近年来国内外学者在复合材料结构动态及准静态压剪性能研究中所取得的成果,对理论、数值及试验方面的现状进行了总结,并对存在的问题进行了深入分析。本文的主要工作是对碳纤维缎纹织物增强的复合材料层压板以及以它为面板的蜂窝夹层板的准静态压剪渐进失效机理进行了试验研究和数值模拟。主要研究内容包括:(1)复合材料准静态压剪试验研究。参考国外学者所设计的压剪试验方法,在其基础上进行改进,建立复合材料层压板及夹层板准静态压剪的试验方法及观测方案,采集了试验中压头的接触力-位移曲线,并通过摄像机记录了试验件加载背面的变形历程。本文采用分步特征追踪的思路来研究复合材料层压板和夹层板在准静态压剪载荷下的渐进失效过程。具体方法为:在典型的载荷位移曲线上选取代表点,对同一组内相同材料的试验件加载到不同的载荷水平并卸载,评估不同载荷对结构造成的不同的损伤程度,为裂纹萌生和扩展提供依据。为了得到碳纤维缎纹织物增强的复合材料层压板的力学性能,开展了一系列基本力学性能测试,为分析复合材料结构提供数据基础。(2)复合材料准静态压剪失效机理研究。分别利用光学显微镜及x射线断层成像技术(x-raycomputedtomography,xct)对复合材料结构内部的渐进失效演化过程进行追踪和评估。光学显微镜可以提供复合材料截面上的基体裂纹、分层及纤维断裂的二维分布。该方法直观可靠,但必须对试验件进行切割,并且无法得到损伤的空间分布。为了弥补该方法的不足,本文进而采用xct技术对破坏后的复合材料层压板及蜂窝夹层板进行了无损扫描,对三维结构进行可视化处理,从而确定了内部损伤形式及分布,直观地揭示了复合材料结构损伤演化过程。xct技术是本研究中所采用的一种分析结构内部特性的重要的三维无损检测方法。(3)复合材料层压板压剪破坏数值分析。基于hashin3d强度准则及刚度的参数折减法,利用abaqus中vumat用户自定义功能,建立缎纹织物增强的复合材料层压板的渐进失效模型。利用试验得出的载荷位移曲线及观测到的损伤模态对有限元模型进行校验,结果表明,本文建立的有限元模型可以准确的再现试验中的载荷位移曲线,并且利用该模型进行的数值分析结果在损伤类型、损伤位置、面外变形和破坏模式等方面也与试验结果非常吻合。复合材料层压板在压剪过程中承载形式由局部材料的剪切转变为结构的整体弯曲,最终由于纤维剪切及拉伸断裂而失效。综上所述,有限元结果能够准确的复现复合材料结构在准静态压剪过程中的渐进失效历程。经过验证的模型将应用于后续夹层板面板的渐进失效模拟过程。(4)复合材料夹层板压剪破坏数值分析。分析碳纤维缎纹织物增强复合材料面板/nomex纸蜂窝组成的夹层板在准静态压剪载荷作用下的失效机理。利用前面已验证的层压板的渐进失效模型模拟蜂窝夹层结构的面板,预测夹层板的准静态压剪性能,重现了试验中的接触力-位移曲线,并且得到了不同阶段的损伤模式。该模型在层压板的渐进失效模型的基础上添加了单元删除功能,用于模拟实际中材料的脱离现象。将数值模拟所得到的损伤模式与试验所得到的图像进行比较,结果非常吻合。这说明本文所建立的失效模型合理,可以准确捕捉到压剪载荷作用下复合材料夹层板的损伤起始及扩展过程,并且可以提供试验中难以分辨的内部损失形式,为复合材料的压剪穿透失效机理研究提供更加全面的信息。
[Abstract]:A new type of composite material / structure with excellent properties , such as high strength , high specific rigidity , corrosion resistance , friction resistance and low density , has been studied in this paper . In order to compensate for the defects of this method , this paper uses xct technique to simulate the damage evolution of composite laminates . The results show that the damage evolution process of composite laminates can be accurately reproduced . The results show that the damage evolution process of composite laminates can be accurately reproduced .

【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB33

【参考文献】