变刚度层合板力学性能分析及铺放成型技术研究

发布时间：2017-12-02 08:02

  本文关键词：变刚度层合板力学性能分析及铺放成型技术研究

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【摘要】：随着复合材料在我国航空航天领域应用的不断增加,传统的以手工为主的树脂基复合材料成型方式由于其生产效率低、质量不稳定等缺点,已不能满足大批量、复杂构件的生产需求。自动化成型是树脂基复合材料制造业发展的必然趋势。自动纤维铺放技术是纤维增强树脂基复合材料自动化成型的重要方法之一,其不但可以实现成型自动化,还可以根据构件的力学需求,获得纤维角度连续变化的铺层以优化层合板的力学性能。本文针对自动铺丝成型的变刚度层合板,旨在探究变刚度层合板的力学特性及其自动化成型关键技术,为自动铺丝技术在航空领域的应用奠定基础。本文基于Bezier曲线定义了纤维铺放参考路径,得到了纤维角度的变化规律。该模型相对于角度线性变化的参考路径,具有角度非线性变化、设计自由度大的优点。对构造变刚度铺层的平移法和平行法的优缺点进行了深入分析,得到了平移法避免间隙且重叠最小的平移距离,并利用该种方法构建了纤维铺层。参考纤维角度线性变化层合板的铺层表示形式,根据本文所描述参考路径的特点,确定了Bezier曲线变刚度层合板的表示形式。并结合所设计变刚度层合板的特点和ABAQUS分析软件的输入格式,利用Matlab编写了变刚度层合板前处理模型生成软件。从层合板的稳定性出发,对直线铺层和变刚度铺层分别构成的层合板分别进行了屈曲分析,对比发现变刚度层合板的屈曲载荷明显较高,并获得了初始几何缺陷对屈曲载荷的影响规律。对变刚度层合板进行了平面静力学分析,得到了变刚度层合板在压缩载荷作用下的变形和应力的分布情况,可以看出纤维角度的变化使得载荷重新分布,从而影响了层合板的性能。通过保持参考路径的起始角不变,改变参考纤维的终止角,分析了不同纤维路径对稳定性的影响,发现终止角大于起始角时,层合板的一阶屈曲载荷较高。另外,研究还发现混搭一定角度的直线铺层有助于层合板屈曲载荷的提高。为了获得ABAQUS分析所需的基础材料参数,对自动铺丝的主要工艺参数进行了研究,得到了温度、压力和速度的合理范围,制备了单向层合板,开展了拉伸试验。进而,针对所构建的变刚度铺层,编制了加工代码程序生成软件,开展了曲线铺放实验,分析了丝束褶皱形成的原因并提出了解决方案,并获得了参考轨迹在加工过程中的曲率大小限制范围。最后,实现了纤维角度连续变化的丝束在平面内的无褶皱铺放,制备了混合铺层的变刚度层合板,压缩实验表明:合理设计的变刚度层合板在稳定性上优于直线铺层构成的层合板,一定程度上证明了有限元分析的正确性。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V258

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本文编号：1244171