纤维增强复合材料的非线性动力本构与冲击损伤破坏行为

发布时间：2020-10-11 21:22

　　 纤维增强复合材料因其高强度、耐腐蚀、可设计性等优点,以复合材料层合板、夹芯板和加筋板等形式被应用在飞机结构中,起主承力和吸能防护等作用。在飞机结构的服役过程中,复合材料会受到碎石、冰雹、鸟体等冲击荷载的作用,导致材料发生损伤破坏,影响结构的承载能力。因此,纤维增强复合材料在动力荷载下的损伤破坏行为,受到人们的密切关注。本文通过研究纤维增强复合材料的静、动力学行为,建立了碳纤维增强树脂基复合材料的非线性动力本构方程,并基于试验与数值模拟,揭示了复合材料结构在冲击荷载作用下的损伤破坏规律。主要研究内容归纳如下:(1)纤维增强复合材料的准静态和动态力学行为的研究。对经过铺层设计的复合材料层合板试件进行了不同应变率下的拉伸与压缩试验,得到了材料各方向上的应力应变关系,并使用动态数字图像相关技术,得到了不同铺层的试件在单轴荷载下的应变分布与破坏过程。试验结果表明,碳纤维增强聚合物复合材料在沿纤维方向的拉伸、压缩以及垂直于纤维方向的拉伸应力应变关系呈线弹性;在垂直于纤维方向压缩以及面内剪切方向则表现出非线性。材料的模量和强度都随着应变率的升高而增大,但破坏应变几乎不受应变率的影响。(2)基于试验结果,建立纤维增强复合材料的非线性动力本构模型。考虑到模型在实际工程问题中的应用情况,分别建立了平面应力状态和三维应力状态下的本构模型。通过材料的加卸载试验,将材料的非线性行为归因于损伤发展导致的刚度折减。为了描述损伤,引入了垂直于纤维方向和面内剪切方向的两个损伤因子,发现在单轴压缩荷载作用下基体压缩损伤因子与轴向应变呈二次函数关系,而在剪切荷载下剪切损伤和剪切应变呈指数函数关系。这两个函数关系中的参数都不随应变率的变化而变化,说明材料的损伤过程和应变率效应相互独立。(3)提出了基于横观各向同性应变不变量的损伤起始判据和破坏准则。在三维应力状态下的本构模型中,将纤维增强复合材料视为横观各向同性材料。基于横观各向同性假设,认为当参考坐标系绕弹性对称轴转动时,材料的损伤和破坏状态应该为不变量。同时,在复合材料的静、动力学行为的研究中发现,材料的损伤起始应变和破坏应变都不会随应变率的变化而变化。结合以上假设和试验现象,将损伤判据和破坏准则表达为横观各向同性一阶和二阶应变不变量的函数。利用Abaqus用户子程序VUMAT,将包含破坏准则的非线性动力本构模型写入有限元软件中,并通过准静态和动态试验的数值模拟,验证了本构模型的有效性。(4)复合材料层合板及夹芯结构的低速冲击损伤与破坏行为研究。对复合材料层合板和复合材料泡沫夹芯板进行了落锤冲击试验,通过超声C扫描,获得了结构内部的分层损伤区域。试验结果显示,层合板在低速冲击下的分层损伤呈两个三角形,对称地分布在冲击点两侧。分层损伤的区域与相邻两子层的铺层角度相关。根据分层损伤的规律,提出了预测分层位置与形状的方法,为层合板的铺层优化设计提供了参考。泡沫夹芯板在受到低速冲击时上面板的分层损伤与层合板的规律一致,随着冲击能量的提高和泡沫密度的增大,损伤面积逐渐变大,而当上面板发生穿透时,分层损伤受到纤维破坏的影响,损伤面积将不再增加。上面板被穿透后,夹芯板的破坏区域被区分为压溃区和断裂区,不同区域的破坏模式不同。使用纤维增强复合材料的非线性动力本构模拟复合材料层合板和夹芯板在低速冲击下的损伤破坏行为。由于冲击速度较低,材料的应变率效应并不明显,因此将本构模型退化为应变率无关的形式,只考虑材料的非线性及损伤破坏行为。模拟结果完整地呈现了层合结构的损伤破坏形式,计算得到的破坏形貌与试验结果吻合,验证了本构模型在模拟低速冲击损伤破坏行为的有效性。(5)复合材料机翼结构的鸟撞冲击损伤与破坏研究。对机翼前缘结构进行不同速度的鸟撞试验,使用高速摄影机捕捉了撞击中鸟体和结构的变形过程,并采用三维动态数字图像相关技术,得到了鸟撞点附近结构的位移场和应变场分布。运用复合材料的非线性动力本构模型,建立了机翼前缘结构的鸟撞计算有限元模型。计算得到的结构位移、变形过程和损伤破坏情况都与试验结果吻合。同时,对比了复合材料的非线性动力本构模型和传统本构模型的计算结果,体现了非线性动力本构在模拟高速冲击作用下材料力学行为的优越性。本文基于纤维增强复合材料的准静态、动态力学行为,建立了材料的非线性动力本构模型,并将模型应用于复合材料层合结构的低速冲击计算和鸟撞计算,揭示了碳纤维增强树脂基复合材料在冲击荷载下的损伤破坏行为特征,为复合材料结构优化设计和抗冲击性能校核提供了依据。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：V258.3;TB33
【部分图文】：

华南理工大学博士学位论文图 1-1 碳纤维复合材料层合板的基本结构在复合材料层合板之间添加泡沫、蜂窝等芯材，得到复合材料夹芯结构，如图 1-2；在复合材料层合板上胶结复合材料筋条，得到复合材料加筋结构，如图 1-3。复合材料层合板、复合材料夹芯板和复合材料加筋板这三种基本结构是构成飞机、船舶主承力构件的基本元件。以某型军用无人机为例，各种复合材料构件在飞机结构上的应用如图 1-4。碳纤维聚合物单向复合材料复合材料层合板层合板

华南理工大学博士学位论文图 1-1 碳纤维复合材料层合板的基本结构在复合材料层合板之间添加泡沫、蜂窝等芯材，得到复合材料夹芯结构，如图 1-2；在复合材料层合板上胶结复合材料筋条，得到复合材料加筋结构，如图 1-3。复合材料层合板、复合材料夹芯板和复合材料加筋板这三种基本结构是构成飞机、船舶主承力构件的基本元件。以某型军用无人机为例，各种复合材料构件在飞机结构上的应用如图 1-4。碳纤维聚合物单向复合材料复合材料层合板层合板

图 1-1 碳纤维复合材料层合板的基本结构在复合材料层合板之间添加泡沫、蜂窝等芯材，得到复合材料夹芯结构，如图 1在复合材料层合板上胶结复合材料筋条，得到复合材料加筋结构，如图 1-3。复合层合板、复合材料夹芯板和复合材料加筋板这三种基本结构是构成飞机、船舶主承件的基本元件。以某型军用无人机为例，各种复合材料构件在飞机结构上的应用如图层合板泡沫层合板复合材料泡沫夹芯板复合材料蜂窝夹芯板层合板筋条层合板蜂窝复合材料加筋板
【相似文献】

相关期刊论文 前10条

1 梁建文;何颖;;利用强震记录识别场地的总体非线性动力特性[J];振动工程学报;2013年04期

2 梁建文;何颖;;场地总体非线性动力特性识别方法[J];岩土工程学报;2013年03期

3 黄建平,衣育红;利用观测资料反演非线性动力模型[J];中国科学(B辑 化学 生命科学 地学);1991年03期

4 王利恒;周锡元;阎维明;涂鸣;;钢筋混凝土梁非线性动力特性试验研究[J];地震研究;2006年01期

5 刘海燕;吴利国;;情绪与身体健康的非线性动力关系[J];山东师范大学学报(人文社会科学版);2006年01期

6 马明;非线性动力有限元法及其在膜结构裁剪分析中的应用[J];建筑科学;2002年05期

7 秦荣;王晓峰;苏金凌;;高层框架非线性动力极限承载能力新方法分析[J];振动与冲击;2012年14期

8 卢新明;;一类非线性动力网络方程组的性质与解法及其应用[J];系统工程学报;1991年02期

9 罗松南,傅衣铭,曹志远;有任意脱层复合材料梁的非线性动力稳定性[J];振动工程学报;2002年01期

10 ;Oris Cal. 110机芯[J];董事会;2014年07期

相关博士学位论文 前7条

1 龙舒畅;纤维增强复合材料的非线性动力本构与冲击损伤破坏行为[D];华南理工大学;2018年

2 邱战洪;非线性动力损伤力学理论及其数值分析模型[D];浙江大学;2005年

3 张雷克;水轮发电机组轴系非线性动力特性分析[D];大连理工大学;2014年

4 叶剑雄;一类微生物发酵的多种非线性动力系统建模与优化[D];大连理工大学;2011年

5 张彦宾;条带开采工程非线性动力稳定性研究[D];河南理工大学;2012年

6 诸骏;索、梁及其组合结构的线性及非线性动力分析[D];浙江大学;2008年

7 陈钊庭;钢箱梁加劲板的非线性动力行为研究[D];华南理工大学;2016年

相关硕士学位论文 前10条

1 黄繁;拱的非线性动力行为研究[D];暨南大学;2009年

2 李礼;冲击荷载下高桥墩的非线性动力屈曲分析[D];湖南大学;2009年

3 郭静;层状饱和场地总体非线性动力特性识别[D];天津大学;2014年

4 冯鑫;横向冲击作用下高桥墩的非线性动力稳定性分析[D];湖南大学;2011年

5 季加阳;面向人体多生理参数的非线性动力特征分析[D];哈尔滨工业大学;2013年

6 孙晓冉;面向人体心电信号的非线性动力特征分类研究[D];哈尔滨工业大学;2010年

7 宋君晗;地震引起地基运动时高桥墩的非线性动力屈曲分析[D];湖南大学;2010年

8 张勇;夹层截顶扁壳的非线性动力屈曲研究[D];暨南大学;2008年

9 郑星;基于非线性振动技术的预应力混凝土梁损伤检测[D];重庆大学;2012年

10 宁博文;基于非线性动力接触的银基钎料粉末电磁压制工艺研究[D];武汉理工大学;2014年

本文编号：2837135