考虑分散性的复合材料板弹性力学响应研究

发布时间：2020-10-21 14:25

　　 纤维增强复合材料相比于传统材料具有绿色环保、比强度和比刚度更高以及可设计性良好等优点,在航空航天、海洋船舶、新能源汽车等领域有着较好的应用前景。但复合材料的制造工艺十分复杂,由于环境温湿度、纤维预应力、固化温度等因素的变化,会使得纤维增强复合材料制品的宏观弹性模量存在一定的分散性,并导致其服役性能也存在一定的分散性。目前国内外对分散性的研究主要是采用改进材料制备工艺、缺陷修复等手段来减少复合材料的性能分散,但分散性不可能被根除,并且国际上少有关于分散性对复合材料结构响应影响的研究。力学性能的分散性是影响复合材料产品质量的首要因素,但运用目前一般的复合材料力学方法去计算结构响应,所得结果只是一种理想值,不能真实反映结构的力学行为及其服役性能的分布情况。本文考虑了材料性能的不均匀性及其随机分布,并将这种随机分布模型植入有限元动力程序,则每进行一次动力响应计算都相当于一次虚拟测试,从而在设计阶段即可预测宏观弹性模量不均匀性对复合材料制成品力学响应的影响,获得结构响应的上、下限,在原材料质量分布和制成品力学性能之间建立量化关系,是实现纤维增强复合材料结构力学性能控制的关键手段,本文的具体工作如下:1)由于弹性模量分散性是影响复合材料弹性力学响应的主要因素,故本文基于中心极限定理,提出了弹性模量分散性的具体表征公式,并将其引入弹性三维有限元理论,建立了复合材料宏观弹性模量分散性与有限元综合的混合模型,开发了相应的有限元动力学程序,初步构建了正交各向异性复合材料板弹性力学响应的虚拟测试方法。2)从局部响应的角度讨论了弹性模量分散性对复合材料板服役性能的影响:当考虑分散性后,正四边形的复合材料板中心挠度的峰值变化不大而面内位移却显著增加,此时传统复合板理论中性层面内位移可以被忽略的假设不再成立。3)从整体响应的角度讨论了分散性的影响:发现弹性模量的分散性会导致板的挠度响应在局部区域显著扭曲,是复合材料板局部出现翘曲和扭曲变形的来源,使得复合材料结构发生局部失效的风险显著增加。4)模态分析表明,纤维弹性模量的分散性使得纤维增强复合材料板的模态振型从整体连续均匀变形变为局部集中突变,从频域角度解释了挠度等值线局部显著扭曲的现象。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TB33
【部分图文】：

图１．２?ＳｉＣｗ／ＡＩ复合材料的力学性能分散性１１５１??ｊ．Ｒ．ｗｎｉｓ［１６］讨论了当复合材料只有少量的统计资料可以参考应用的时候，可??以估算复合材料全模量算子的一些计算方法。认为如果将纤维增强复合材料看作??随机分布的不均匀介质的模型，那么“全模量算子”可以建立应力和应变之间的综??合平均值的关系。??２０１２年高希光［１７】等人采用Ｍｏｎｔｅ－Ｃａｒｌｏ方法分别用均匀分布和正态分布模??拟复合材料纤维中心位置的隨机变化，计算出复合材料性能的子样，最后用数理??统计的方法处理数据得到材料性能的数据，发现由纤维位置变化引起的材料分散??性随纤维体积比的变化先增大然后减小。??根据国内外学者的研究，可以发现通过改善纤维制备工艺或减少组织缺陷可??以使复合材料力学性能的分散性得到改善，但这些改善都是限于一定程度上的，??并不能根本地解决分散性问题。其中纤维褶皱与植物纤维材料是在工程应用中常??见的分散性现象。??

绪论??维偏转角的分布图，并利用统计学方法分析发现纤维偏转角度在整个构件中呈现??随机正态分布特性，微观影像图和偏转角的等值线图如图１．３所示［２１］。??ｒ＾＾Ｐｌ??图１．３纤维偏转角随机分布图ｉｒｕ??褶皱缺陷对复合材料构件力学性能的影响被学者进行了广泛深入的研究，发??现该缺陷会严重削弱复合材料构件的刚度和强度性能［２Ｍ３］，并且ＰｉｇｇｏｔｔＭ．和??Ｓｔｅｃｅｎｋｏ?Ｔ．等学者研究发现面内的褶皱对结构承载力学性能的影响要比面外褶??皱影响大［２４＿２５］。一方面，国内外众多学者［２６＿２８］采用代表性体积单元（ＲＶＥ）结合??有限元方法对含有褶皱缺陷的复合材料宏观弹性性能进行了分析。Ｈｓｉａｏ和??Ｄａｎｉｄ［２９］基于含有周期性褶皱的代表性体积元摸型提出了预测含有褶皱缺陷复??合材料板的有效弹性性能的方法，该理论值与试验结果有较好地一致性，并将该??分析方法推广到预测含有褶皱缺陷的复合材料板在压缩载荷作用下的强度值［３（）］。??Ｚｈｕ等人［３１］基于均匀应变假设采用ＲＶＥ方法对褶皱缺陷的复合材料板三维弹性??性能进行预测并分析了褶皱缺陷对复合材料板面内和面外性能的影响；Ｃｈｕｎ等??人［３２１基于均匀应力假设分析了含褶皱缺陷的复合材料板在拉伸和压缩载荷作用??下的行为

许希武等人［８４］针对丁３００／（５￥８９１１复合材料进行了多组不同低速冲??击实验以及压缩实验，研究了不同冲击能量作用下，复合材料板的冲击损伤以及??冲击能量的不同对压缩强度的影响。研究了冲击能力较高时，层合板内部的纤维??断裂破坏、压缩破坏与分层损伤等问题，分析了冲击能力较小的情况下，表面上??不存在明显现象，但内部损伤较为剧烈。??Ｃｈｏｉ等人［８５］分析了在低速冲击下石墨／环氧树脂复合材料板层损伤与基体开??裂之间的关系，得出了弯曲正应力引起冲击背面的基体开裂损伤的结论，剪切应??力会导致冲击位置处的开裂，进一步的开裂将会造成分层现象，其中剪切应力与??层间正应是主要的影响因素。??Ａｙｍｅｒｉｃｈ?Ｆ?＝８°］进行了不同冲击能下复合材料板的冲击损伤试验，使用Ｘ射线??获得了试验中材料的真实响应，并使用有限元方法（ＦＥＭ）建立了数值摸型。研??究发现使用商业软件计算得到的结果体现为均匀连续的变化，而试验中复合材料??的真实响应存在局部畸变现象。??—
【参考文献】

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本文编号：2850236