计及纤维交叉起伏影响的缠绕复合材料力学性能研究

发布时间：2023-04-07 04:14

　　纤维缠绕复合材料在缠绕成型过程中,存在一种特殊情况,正在缠绕的纤维束与已经缠绕的纤维束在局部相互交叉,形成纤维束交叉起伏,造成局部应变和应力集中,同时也导致如孔洞、富树脂区等缺陷,从而使得该区域往往成为断裂萌生的发源地,对缠绕复合材料结构的失效(泄漏)、破坏造成较大的影响。本文考虑纤维交叉起伏情况,针对缠绕复合材料结构损伤、失效和破坏问题,开展以下几个方面的研究:纤维缠绕复合材料结构弹性性能预测,缠绕复合材料特征单元应力与失效破坏分析,薄壁缠绕结构的屈曲分析,缠绕复合材料结构的失效破坏分析,缠绕复合材料固化过程以及残余应力分析。本文的主要工作和研究成果如下:1.针对缠绕复合材料交叉起伏区域,运用纤维束起伏角、富树脂区域尺寸、纤维束的体积分数、纤维束的横截面形状及尺寸等细观参数来描述缠绕复合材料交叉起伏区域的细观结构。基于所建立的细观模型及层合板理论,提出了缠绕复合材料交叉起伏区域的等效刚度计算方法。计算结果表明,纤维交叉起伏区域中各处纤维和基体的体积分数不同,导致起伏区域中各处的弹性性能参数不同,在富树脂区域,弹性模量和剪切模量降低较为明显,而泊松比有所增大。2.基于所建立的纤维交叉起...

【文章页数】：138 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 引言
    1.2 纤维缠绕成型技术
    1.3 缠绕复合材料力学性能分析
    1.4 缠绕复合材料应力应变分析
    1.5 缠绕复合材料失效破坏研究
        1.5.1 缠绕角度对失效破坏的影响
        1.5.2 缠绕张力、残余应力对失效破坏的影响
        1.5.3 裂纹缺陷对失效破坏的影响
        1.5.4 湿热效应对失效破坏的影响
        1.5.5 纤维交叉起伏对失效破坏的影响
        1.5.6 缠绕复合材料失效破坏的模拟计算研究
    1.6 缠绕复合材料固化过程以及固化残余应力研究
        1.6.1 基体树脂的固化机理研究
        1.6.2 固化过程中的固化度以及温度场分析
        1.6.3 固化过程中的残余应力以及变形分析
    1.7 目前缠绕复合材料研究尚存在的问题
    1.8 本文内容安排
第2章 计及纤维交叉起伏影响的缠绕复合材料刚度分析
    2.1 引言
    2.2 纤维交叉起伏区域刚度分析
        2.2.1 缠绕复合材料菱形特征单元
        2.2.2 交叉起伏细观模型
        2.2.3 交叉起伏细观模型离散化
        2.2.4 交叉起伏区域各个子模型中基体以及纤维束含量的确定
        2.2.5 交叉起伏区域各个子块中纤维的体积分数
        2.2.6 维交叉起伏区域纤维束起伏角的描述
    2.3 纤维起伏区域的刚度模型
    2.4 计算结果与讨论
        2.4.1 算例与模型验证
        2.4.2 交叉起伏区域刚度计算及分析
        2.4.3 菱形特征单元刚度
        2.4.4 纤维束厚度的影响
    2.5 结论
第3章 缠绕复合材料特征单元应力与失效破坏分析
    3.1 引言
    3.2 缠绕复合材料菱形特征单元(RUC)的有限元实体模型
        3.2.1 菱形特征单元(RUC)
        3.2.2 特征单元的周期性边界条件
        3.2.3 损伤破坏准则与刚度缩减模型
    3.3 结果与讨论
        3.3.1 特征单元的应力分布分析
        3.3.2 特征单元的损伤破坏分析
    3.4 结论
第4章 考虑纤维束交叉起伏的缠绕复合材料圆柱壳的屈曲分析
    4.1 引言
    4.2 缠绕复合材料缠绕图案
    4.3 屈曲分析模型
    4.4 算例与讨论
        4.4.1 轴向载荷下屈曲情况
        4.4.2 外压载荷下屈曲情况
    4.5 结论
第5章 计及纤维交叉起伏影响的缠绕复合材料结构失效破坏宏细观分析模型
    5.1 引言
    5.2 纤维交叉起伏区域的应力分析
    5.3 失效破坏准则及刚度缩减
        5.3.1 复合材料纵向/横向失效破坏准则
        5.3.2 复合材料纵向/横向刚度缩减模型
        5.3.3 界面失效准则以及损伤演化
    5.4 结果分析与讨论
    5.5 结论
第6章 缠绕复合材料结构失效破坏分析
    6.1 引言
    6.2 缠绕复合材料圆筒结构计算与分析
        6.2.1 轴向拉伸
        6.2.2 轴向压缩
        6.2.3 外压载荷
        6.2.4 内压载荷
        6.2.5 双向载荷
        6.2.6 横向压缩
    6.3 缠绕复合材料压力容器计算与分析
    6.4 结论
第7章 缠绕复合材料固化过程以及残余应力分析
    7.1 引言
    7.2 复合材料固化模型
        7.2.1 复合材料固化热-化学模型
        7.2.2 复合材料固化残余应力应变分析模型
    7.3 有限元求解
        7.3.1 空间域离散
        7.3.2 时间域离散
    7.4 计算结果分析与讨论
        7.4.1 模型验证
        7.4.2 缠绕复合材料固化过程分析
        7.4.3 缠绕复合材料固化残余应力分析
    7.5 结论
第8章 总结与展望
    8.1 总结
    8.2 展望
参考文献
攻读博士学位期间发表的学术论文
致谢



本文编号：3785068