玻璃纤维增强铝合金层板的固化变形行为研究
发布时间：2022-01-10 17:19
纤维金属层板（fiber metal laminate,FML）同时继承了传统复合材料与金属材料各自的优点,并因其具有优异的抗疲劳特性和损伤容限特性,在航空工业领域得到了广泛的应用,成为新型航空材料。但在FML的制备过程中,由于组分材料热膨胀系数的不匹配、树脂基体的化学收缩以及构件与模具之间的相互作用,在固化周期结束后会导致层板内部产生复杂的残余应力场。而对于非对称混杂复合材料层板,内部应力沿厚度方向不平衡并产生弯曲力矩,将会导致层板的翘曲和回弹变形,严重地影响了FML制备形状的稳定性。因此,准确地预报FML的固化形状并有效地控制构件的几何尺寸,对于保证结构装配容差需求、提高构件的质量、降低成本具有重要的意义。为此本文结合实验测试结果,建立了预报FML室温下平衡构型的分析模型,对FML在热应力作用下的固化变形行为展开研究,准确地预测了FML固化后的形状并给出了几何参数对层板固化变形行为的影响规律,为混杂复合材料层板在制备过程中的构型控制提供理论指导。针对于混杂复合材料层板结构,在固化升温过程中金属层与预浸料层没有完全粘接且热应变不协调,导致其界面处存在粘接/滑移现象,这种界面的滑移效应...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：130 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
典型FML结构示意图[9,10]
第1章绪论了产品优异的力学性能，减小了在实际加工过程中由于累试法带来的人力和物力的巨大浪费，对混杂复合材料层板在航空航天领域中的发展和应用具有重要意义。1.2国内外研究现状目前，针对于非对称复合材料层板薄板结构固化变形的研究，国内外学者主要利用弹性理论预报其室温下的平衡构型[29,30]。本节将对纯复合材料层板、混杂复合材料层板和复合材料层板复杂曲面结构，在热应力作用下的固化变形预报进行文献综述。另外，对复合材料层板固化变形的影响因素和模具补偿技术进行现状调研和分析总结。1.2.1纯复合材料层板固化变形预报早在1981年，Hyer[31]制备了一系列较薄的非对称正交铺设复合材料层板，这些非对称复合材料层板在室温下的稳定构型为圆柱形，而不是经典层合板理论所预报的马鞍形，如图1-2所示。当层板的厚度达到一定数值时，室温下的稳定构型符合经典层合板理论的预报结果，然而Hyer对于薄板这种反常的固化变形现象产生浓厚的兴趣并展开研究。图1-2非对称正交铺设复合材料层板在室温下的平衡构型:(a)一种稳定的圆柱形，(b)另一种稳定的圆柱形，(c)不稳定的马鞍形[31]Fig.1-2Curedshapesofunsymmetriccross-plylaminatesatroom-temperature:(a)onestablecylindricalshape,(b)theotherstablecylindricalshape,(c)unstablesaddleshape[31]-3-
哈尔滨工业大学工学博士学位论文经过深入的研究，Hyer[32,33]建立了一套理论模型来预报非对称复合材料层板室温下的平衡构型，并成功地解释了他所观察到的薄板的反常现象。Hyer提出的理论模型基于经典层合板理论，并在应变-位移关系中引入冯卡门非线性项，再利用Rayleigh-Ritz法将总体势能最小化，找到势能驻点的位置，通过牛顿-拉夫逊迭代可以求得非对称复合材料层板固化之后的应变场和位移场，从而确定层板在室温下的平衡构型。图1-3给出了非对称复合材料层板固化变形之后内部的总体势能随变形量的关系，图中的两个局部势能阱即对应平板结构的层合板在室温下的两种稳定的平衡构型，这两种稳定的圆柱形构型可以通过施加载荷而相互转换。图1-3层板内部总体势能随变形量的关系Fig.1-3Therelationshipbetweenthetotalpotentialenergyinsidethelaminateandthede-formation通过Hyer的理论模型预报，非对称复合材料层板固化后的形状与层板的几何尺寸和厚度有关，其室温下的稳定构型可能是单一的马鞍形，也可能是两个可以相互转换的圆柱形。同时，Hyer的理论模型还预测了非对称复合材料层板x和y方向的曲率，随层板几何尺寸和厚度变化的分叉现象，如图1-4所示。图1-4非对称正交铺设层板的稳定构型随边长/厚度变化的曲线(B为临界分叉点)Fig.1-4Stable(solidline)andunstable(dashedline)shapesofunsymmetriccross-plylaminatewithchangesinedgelengthandthickness(Bisthecriticalbifurcationpoint)-4-
【参考文献】：
期刊论文
[1]热固性树脂基复合材料固化变形和残余应力数值模拟研究综述[J]. 丁安心,李书欣,倪爱清,王继辉. 复合材料学报. 2017(03)
[2]复合材料在新一代大型民用飞机中的应用[J]. 马立敏,张嘉振,岳广全,刘建光,薛佳. 复合材料学报. 2015(02)
[3]复合材料层合结构层间应力分析综述[J]. 梁吉鹏,马斌捷. 强度与环境. 2013(02)
[4]浅谈空客A380的复合材料应用[J]. 陈绍杰. 高科技纤维与应用. 2008(04)
[5]先进复合材料与航空航天[J]. 杜善义. 复合材料学报. 2007(01)
[6]复合材料层板的层间应力分析及其应用[J]. 阎相桥,杜善义,王铎. 哈尔滨工业大学学报. 1991(03)
博士论文
[1]双稳定复合材料层板的构型分析及其动力学特性研究[D]. 李昊.哈尔滨工业大学 2015
[2]热固性树脂基复合材料的固化变形数值模拟[D]. 王晓霞.山东大学 2012
[3]复合材料构件热压罐成型工装设计关键技术研究[D]. 李桂东.南京航空航天大学 2010
[4]整体化复合材料壁板结构固化变形模拟及控制方法研究[D]. 岳广全.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]复合材料雷达罩热压罐成型变形分析及其补偿技术研究[D]. 饶水林.景德镇陶瓷大学 2016
[2]复合材料热固化变形与补偿技术研究[D]. 徐晶.沈阳航空航天大学 2013
[3]纤维金属层板的制备及力学性能研究[D]. 王时玉.哈尔滨工业大学 2012
[4]基于有限元模拟的复合材料构件热压罐成型工艺研究[D]. 张吉.南京航空航天大学 2012
[5]复合材料构件固化成型的变形预测与补偿[D]. 陈晓静.南京航空航天大学 2011
本文编号：3581099
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：130 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
典型FML结构示意图[9,10]
第1章绪论了产品优异的力学性能，减小了在实际加工过程中由于累试法带来的人力和物力的巨大浪费，对混杂复合材料层板在航空航天领域中的发展和应用具有重要意义。1.2国内外研究现状目前，针对于非对称复合材料层板薄板结构固化变形的研究，国内外学者主要利用弹性理论预报其室温下的平衡构型[29,30]。本节将对纯复合材料层板、混杂复合材料层板和复合材料层板复杂曲面结构，在热应力作用下的固化变形预报进行文献综述。另外，对复合材料层板固化变形的影响因素和模具补偿技术进行现状调研和分析总结。1.2.1纯复合材料层板固化变形预报早在1981年，Hyer[31]制备了一系列较薄的非对称正交铺设复合材料层板，这些非对称复合材料层板在室温下的稳定构型为圆柱形，而不是经典层合板理论所预报的马鞍形，如图1-2所示。当层板的厚度达到一定数值时，室温下的稳定构型符合经典层合板理论的预报结果，然而Hyer对于薄板这种反常的固化变形现象产生浓厚的兴趣并展开研究。图1-2非对称正交铺设复合材料层板在室温下的平衡构型:(a)一种稳定的圆柱形，(b)另一种稳定的圆柱形，(c)不稳定的马鞍形[31]Fig.1-2Curedshapesofunsymmetriccross-plylaminatesatroom-temperature:(a)onestablecylindricalshape,(b)theotherstablecylindricalshape,(c)unstablesaddleshape[31]-3-
哈尔滨工业大学工学博士学位论文经过深入的研究，Hyer[32,33]建立了一套理论模型来预报非对称复合材料层板室温下的平衡构型，并成功地解释了他所观察到的薄板的反常现象。Hyer提出的理论模型基于经典层合板理论，并在应变-位移关系中引入冯卡门非线性项，再利用Rayleigh-Ritz法将总体势能最小化，找到势能驻点的位置，通过牛顿-拉夫逊迭代可以求得非对称复合材料层板固化之后的应变场和位移场，从而确定层板在室温下的平衡构型。图1-3给出了非对称复合材料层板固化变形之后内部的总体势能随变形量的关系，图中的两个局部势能阱即对应平板结构的层合板在室温下的两种稳定的平衡构型，这两种稳定的圆柱形构型可以通过施加载荷而相互转换。图1-3层板内部总体势能随变形量的关系Fig.1-3Therelationshipbetweenthetotalpotentialenergyinsidethelaminateandthede-formation通过Hyer的理论模型预报，非对称复合材料层板固化后的形状与层板的几何尺寸和厚度有关，其室温下的稳定构型可能是单一的马鞍形，也可能是两个可以相互转换的圆柱形。同时，Hyer的理论模型还预测了非对称复合材料层板x和y方向的曲率，随层板几何尺寸和厚度变化的分叉现象，如图1-4所示。图1-4非对称正交铺设层板的稳定构型随边长/厚度变化的曲线(B为临界分叉点)Fig.1-4Stable(solidline)andunstable(dashedline)shapesofunsymmetriccross-plylaminatewithchangesinedgelengthandthickness(Bisthecriticalbifurcationpoint)-4-
【参考文献】：
期刊论文
[1]热固性树脂基复合材料固化变形和残余应力数值模拟研究综述[J]. 丁安心,李书欣,倪爱清,王继辉. 复合材料学报. 2017(03)
[2]复合材料在新一代大型民用飞机中的应用[J]. 马立敏,张嘉振,岳广全,刘建光,薛佳. 复合材料学报. 2015(02)
[3]复合材料层合结构层间应力分析综述[J]. 梁吉鹏,马斌捷. 强度与环境. 2013(02)
[4]浅谈空客A380的复合材料应用[J]. 陈绍杰. 高科技纤维与应用. 2008(04)
[5]先进复合材料与航空航天[J]. 杜善义. 复合材料学报. 2007(01)
[6]复合材料层板的层间应力分析及其应用[J]. 阎相桥,杜善义,王铎. 哈尔滨工业大学学报. 1991(03)
博士论文
[1]双稳定复合材料层板的构型分析及其动力学特性研究[D]. 李昊.哈尔滨工业大学 2015
[2]热固性树脂基复合材料的固化变形数值模拟[D]. 王晓霞.山东大学 2012
[3]复合材料构件热压罐成型工装设计关键技术研究[D]. 李桂东.南京航空航天大学 2010
[4]整体化复合材料壁板结构固化变形模拟及控制方法研究[D]. 岳广全.哈尔滨工业大学 2010
硕士论文
[1]复合材料雷达罩热压罐成型变形分析及其补偿技术研究[D]. 饶水林.景德镇陶瓷大学 2016
[2]复合材料热固化变形与补偿技术研究[D]. 徐晶.沈阳航空航天大学 2013
[3]纤维金属层板的制备及力学性能研究[D]. 王时玉.哈尔滨工业大学 2012
[4]基于有限元模拟的复合材料构件热压罐成型工艺研究[D]. 张吉.南京航空航天大学 2012
[5]复合材料构件固化成型的变形预测与补偿[D]. 陈晓静.南京航空航天大学 2011
本文编号：3581099
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