抗高冲击载荷CFRP层合结构力学性能研究

发布时间：2017-08-29 17:07

  本文关键词：抗高冲击载荷CFRP层合结构力学性能研究

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【摘要】：碳纤维增强复合材料(CFRP)具有重量轻、比模量高、比强度高及耐腐蚀性等优异性能,已经广泛应用于航空、航天、武器系统等国防领域。CFRP材料在冲击载荷下力学响应的相关研究工作是该领域的热点问题。由于问题的复杂性及试验数据的高度离散,直到目前还缺少较完善的理论来描述其在动态加载条件下的力学行为,且复合材料层合结构在高冲击载荷下的损伤破坏试验数据也较为缺乏。本文结合理论研究、准静态压缩和弯曲试验及动态冲击压缩试验,研究了典型层合CFRP材料的力学行为,论文工作和主要结论为:(1)基于桥联模型,采用含应变率效应的复合材料动态本构方程以及屈服准则,对静态本构方程及屈服准则进行修正。对改进后的模型进行验证与确认,修改后的模型能够被用于动态强度理论计算中。(2)利用桥联模型和准静态试验对不同铺层角度CFRP层合板强度进行研究,分析了不同铺层角度对层合板强度的影响规律。通过基于数字图像相关法(DIC方法)的准静态压缩试验,研究CFRP层合结构准静态力学性能。试验应力应变曲线与桥联模型理论计算结果相对一致,而DIC方法所获取的剪应变场能够反映出复合材料层合结构所特有的分层破坏特征。(3)对比分析了几种抗高冲击载荷CFRP层合结构设计方案,优选得到一种满足使用要求的铺层结构,并制备层合板,实施中等应变率的压缩试验,前期理论计算结果与试验结果有较好一致性。由于试验结果无法获得除表面面内应变、破坏终态等之外更多的细节,运用改进桥联模型计算程序讨论了层合结构的渐进破坏现象,分析了与复合材料结构中纤维断裂及基体破坏相对应的力学特征量。(4)采用DIC方法对CFRP材料准静态弯曲力学性能进行研究,DIC方法所获取的变形场能够真实有效地反映CFRP材料的变形情况,能够用于对CFRP材料不同破坏模式的研究中。
【关键词】：CFRP 应变率效应 桥联模型 数字图像相关方法 动态力学性能
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33;TB301
【目录】：

• 摘要5-6
• abstract6-11
• 第一章 绪论11-25
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-23
• 1.2.1 纤维增强复合材料动态力学性能研究进展12-14
• 1.2.2 纤维增强复合材料动态强度理论研究进展14-16
• 1.2.3 复合材料层合板受低速冲击压缩作用试验研究16-18
• 1.2.4 基于数字图像相关方法的复合材料力学性能测试研究进展18-23
• 1.3 立题依据及研究目的和内容23-25
• 第二章 基于桥联模型的层合结构力学设计及应变率相关改进25-35
• 2.1 引言25-26
• 2.2 桥联模型26-29
• 2.2.1 桥联模型介绍26-27
• 2.2.2 基于桥联模型的层合板强度计算27-28
• 2.2.3 桥联模型的验证与确认（V&V）28-29
• 2.3 应变率相关改进29-34
• 2.3.1 CFRP材料应变率相关动态本构关系修正29-31
• 2.3.2 CFRP材料应变率相关动态失效判据修正31-32
• 2.3.3 动态强度理论的验证与确认（V&V）32-34
• 2.4 本章小结34-35
• 第三章 基于DIC方法的CFRP材料准静态压缩力学性能研究35-49
• 3.1 引言35
• 3.2 材料主方向定义及试件制备35-37
• 3.3 准静态压缩试验37-39
• 3.4 纤维铺层角度不同对CFRP材料准静态压缩力学性能的影响分析39-42
• 3.4.1 层合板力学设计39
• 3.4.2 纤维铺层角度对CFRP材料准静态压缩力学性能的影响39-42
• 3.5 基于DIC方法的抗压载层合板准静态实验研究42-48
• 3.5.1 铺层方式设计及试件准备42-43
• 3.5.2 准静态压缩试验应力应变曲线与理论计算应力应变曲线对比43-44
• 3.5.3 基于DIC方法的准静态压缩CFRP层合结构破坏模式分析44-48
• 3.6 本章小结48-49
• 第四章 CFRP材料动态压缩力学性能研究49-63
• 4.1 引言49
• 4.2 基于改进后的桥联模型的抗高冲击载荷CFRP层合结构设计49-52
• 4.3 CFRP材料动态压缩试验研究52-57
• 4.3.1 动态压缩试件52
• 4.3.2 实验装置52-55
• 4.3.3 实验原理55-57
• 4.3.4 加载应变率的确定57
• 4.4 动态压缩试验结果分析57-61
• 4.4.1 动态压缩试验应力应变曲线与理论计算应力应变曲线对比57-60
• 4.4.2 基于改进后的桥联模型的CFRP层合结构渐进破坏现象分析60-61
• 4.5 本章小结61-63
• 第五章 基于DIC方法的CFRP材料弯曲力学性能研究63-75
• 5.1 引言63
• 5.2 材料试件制备63-64
• 5.3 三点弯曲试验研究64-66
• 5.4 三点弯曲试验结果分析66-73
• 5.4.1 三点弯曲应力应变结果分析66-67
• 5.4.2 基于DIC方法的三点弯曲破坏模式分析67-73
• 5.5 本章小结73-75
• 结论75-79
• 参考文献79-85
• 攻读学位论文期间发表论文与研究成果清单85-87
• 致谢87

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本文编号：754429