基于Puck准则的航空用复合材料失效分析及实验研究

发布时间：2020-05-06 23:12

【摘要】：与传统金属材料相比,先进复合材料在综合性能上更具优势,其用量比例成为了航空航天先进性的一个重要标志。但由于复合材料的各向异性以及损伤模式机理的复杂性,导致其在失效分析的准确性方面存在不足。针对以上问题,本文将Puck准则运用到有限元中分析程序,并基于此对纤维增强类复合材料进行失效分析与实验研究。主要研究内容及成果如下:1)给出了Puck准则的基本原理及其数学方程式;利用计算机语言Fortran、Python编写了两种子程序将Puck准则写入有限元分析软件Abaqus中,用于对复合材料层合板的失效行为进行分析,分别为采用线性退化失效方式的自定义场变量子程序(Usdfld),以及基于本构方程的损伤力学非线性退化方式的用户材料子程序(Umat)。2)建立了单孔层合板三维有限元分析模型,分别使用Umat和Usdfld程序进行单轴压缩受力失效分析,分析结果表明:前者的计算结果精度较高,误差仅为2.3%;基于后者的计算速度比前者快约14%;与软件中的Hashin失效准则相比误差率与消耗时间都有所降低。3)以碳纤维复合材料层合板为例设计并完成了的单轴拉伸/压缩实验,进一步验证所设计程序的可靠性。实验数据与基于Puck准则的仿真分析结果吻合性较好,总体误差约在10%左右,表明本文方法具有较好的预测精度,能反应材料结构的真实力学行为和破坏形态;分析了误差产生的主要来源,包括试验件自身的缺陷、材料数据获取方法、实验环境(温度、湿度)、试件与夹头的摩擦等,针对以上误差来源在文中最后提出改进意见及解决方案。
【图文】：

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性能优势有以下几点：1）具有高强比、高体成型能力，不存在由材料加工转化为构件，不仅降低成本还能缩短加工周期[1]；3）本又通过材料构型设计使各组分的性能互相补具备的优越性能。4）具有可设计性，其物理设计,通过对复合的材料进行选择,可以最大限。随着复合材料研究、生产及应用的不断扩大材料在航空工程领域需求量不断增大正是由于减重 20%～30%，，这对于飞行器的意义十分重指出[4]：目前亚音速飞机中使用各种先进技术身共减重 24.3%，发动机与热结构系统优化共的气动设计与优化能减重 4.6%，如图 1.1，。各种先进减重技术占比

民用飞机,复合材料,飞机机身,使用情况

隐身涂层十分复杂，有 7 种材料之多。随着复合材料技术的发展，美涂层的耐磨涂料取代了之前的多达 7 种的一般材料，使得飞机的维[5]，专家预测，今后导电高分子电致变色材料、掺杂氧化物半导体材多地运用于军用飞机的隐身技术上。在航空发动机方面，针对涡轮料有着不同的运用方式，对于常见的树脂基复合材料，凭借其比强腐蚀性好，阻噪能力强的优点[6]，在航空发动机冷端部件(风扇机匣)和发动机短舱、反推力装置等部件上得到广泛应用。而在需要承受止部件(如喷嘴、火焰稳定器)，甚至高温动态部件例如燃烧室火焰筒叶片上，主要以 SiC 或 C 纤维增强的 SiC 和 SiN 基的陶瓷基复合材渐成为主流[7]。我国在“风云二号气象卫星”及“神舟”系列飞船上均承力构件，大大减轻了整星的质量，降低了发射成本[8]。，一份针对欧洲民用飞机使用复合材料报告显示“民用飞机的复合的 5%上升到如今的 50%之多”。如图 1.2[9]，尤其是近 10 年内，复合好几倍。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V250.2

【参考文献】