大型复杂复合材料结构的承载能力研究

发布时间：2017-09-09 10:16

  本文关键词：大型复杂复合材料结构的承载能力研究

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【摘要】：纤维增强树脂基复合材料具有比强度高、比刚度大、材料各向异性、可设计性强等优点,被广泛应用于航空航天领域中。在部件级复合材料构件的承载能力评估中,因为结构的尺度大、连接成型的复杂性,导致其失效模式具有多样性,某些局部失效行为会诱发整体结构的早期失效,即造成结构失效的主控因素的具有不确定性,承载能力的数值预测的结果与实验结果的误差很难控制在15%以内。同时在大型复合材料的部件设计流程中逐渐减少结构分析对试验的依赖已是一种行业趋势,因此需要进一步改善大型复杂复合材料构件承载能力的数值预测方法。本文根据大量实验得到的复合材料结构的破坏行为,着眼于有限元数值分析,采取整体等效简化与局部精细分析的相结合的思想,提出基于“模型群”的层次化分析策略,进而提出一种高精度大型复杂复合材料结构承载能力预测的数值计算方法。“模型群”分析首先通过整体等效模型的初步计算获取载荷传递和分配规律、基本强度和刚度信息,提供子模型的应力和位移边界。然后分别建立层合板失效模型、界面失效相关模型等精细子模型,分别对各子模型的边界施加由整体分析得到的相应的力或位移,通过比较各子模型的破坏单元数量、破坏速率以及破坏时间评估得到各个局部的主要失效模式及可能诱发整体失效的主控因素,最终建立一个只重点考虑失效主控因素而忽略次要因素的标准化模型。利用复合材料层合板试验、复合材料薄壁加筋板试验的结果分别修正次级精细分析模型,从而控制各子模型的有效性和计算精度。采取“模型群”分析策略,对飞机尾翼盒段结构进行了整体—局部分析,研究了结构在弯曲载荷下各关键局部细节的破坏特点,探讨了结构失效的主控因素,并分析了结构的弯曲承载能力。在“模型群”分析的基础上,利用正交实验法研究了尾翼盒段关键承载区域对不同分层缺陷的敏感性。研究表明,在分层缺陷的预埋深度、大小和面内位置等因素中,尾翼盒段梁腹板结构对缺陷的深度较为敏感,损伤影响因子随缺陷半径增大而增大,在靠近梁腹板对称轴的区域内,分层扩展对缺陷位置更为敏感。
【关键词】：复合材料 部件级结构 承载能力 整体—局部分析 缺陷敏感性
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-15
• 1.1 研究背景9-10
• 1.2 复合材料结构承载性能分析研究现状10-13
• 1.2.1 试样和元件级分析10-12
• 1.2.2 典型结构级分析12
• 1.2.3 部件级结构分析12-13
• 1.3 本文研究的内容13-15
• 2 复合材料结构的渐进失效分析方法15-37
• 2.1 引言15
• 2.2 层合板材料失效模型15-20
• 2.2.1 材料破坏模式与失效准则15-16
• 2.2.2 材料弹性参数的退化16-17
• 2.2.3 复合材料渐进损伤实现流程17-18
• 2.2.4 内聚力模型18-20
• 2.3 非线性分析方法20-22
• 2.4 复合材料层合板拉伸失效分析与验证22-26
• 2.4.1 试验件描述22-23
• 2.4.2 有限元模型与结果分析23-24
• 2.4.3 实验结果与对比验证24-26
• 2.5 复合材料薄壁加筋板压缩失效分析与验证26-31
• 2.5.1 试验件描述26
• 2.5.2 有限元模型与结果分析26-28
• 2.5.3 实验结果与对比验证28-31
• 2.6 复合材料薄壁加筋板剪切失效分析与验证31-35
• 2.6.1 试验件描述31
• 2.6.2 有限元模型与结果分析31-33
• 2.6.3 实验及结果对比验证33-35
• 2.7 本章小结35-37
• 3 部件级复合材料结构的分析方法37-44
• 3.1 引言37
• 3.2 “模型群”分析概念37-41
• 3.2.1 “模型群”分析的基本假定37-38
• 3.2.2 按破坏模式划分的“模型群”分析策略38-39
• 3.2.3 按局部结构特征划分的“模型群”分析策略39-40
• 3.2.4 考虑失效主控因素的标准化模型承载能力评估40-41
• 3.3 模型简化方法41-42
• 3.4 子模型分析方法42-44
• 4 飞机尾翼盒段结构有限元分析44-63
• 4.1 整体分析44-47
• 4.1.1 整体模型及等效简化44-46
• 4.1.2 整体简化模型的有限元分析46-47
• 4.2 “模型群”精细分析47-59
• 4.2.1 局部分析部位的选取及建模47-50
• 4.2.2 子模型的失效分析50-57
• 4.2.3 失效主控因素的综合评估57-59
• 4.3 考虑失效主控因素的标准化模型分析59-62
• 4.3.1 整体模型二次处理59
• 4.3.2 标准化模型分析结果59-62
• 4.4 本章小结62-63
• 5 飞机尾翼盒段梁腹板结构的分层缺陷敏感性分析63-68
• 5.1 引言63
• 5.2 含分层缺陷的梁腹板分析模型63-64
• 5.3 分层缺陷敏感性分析64-67
• 5.4 本章小结67-68
• 结论68-69
• 参考文献69-72
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况72-73
• 致谢73-74

【参考文献】

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本文编号：819851