复合材料薄板结构分层损伤的建模与探测

发布时间：2017-09-18 17:41

  本文关键词：复合材料薄板结构分层损伤的建模与探测

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【摘要】：碳纤维增强树脂复合材料薄板由于自身力学特性和轻质优点,在航天航空结构中广泛应用。然而,复合材料会因结构遭遇物体冲撞,或在制造、运输、安装过程中造成渗入空气、应力集中等情况,导致材料内部产生不易察觉的内部损伤。其中,分层损伤是复合材料薄板结构的主要损伤形式。此类缺陷使得材料的结构强度和刚度大幅度下降,同时造成结构抗失稳能力急剧降低,从而导致航空、航天器中复合材料薄板结构不能保证良好的使用性和安全性。因此,为避免分层损伤对复合材料薄板结构产生灾难性的后果,保证航空航天器的安全性并提高其使用寿命,研究分层损伤对薄板结构的影响,从而探测确定航空航天器上复合材料薄板结构分层损伤的位置与受损程度,是确保复合材料薄板结构安全可靠的重要和必要工作,对保证结构承载力的可靠性具有一定的意义。为此,基于固有频率易于测量、且测量精度高的特点,将正交化后的固有频率变化量,应用于含有分层损伤的复合材料薄板结构中,提出了一种新型反向确定结构损伤位置的理论方法。针对飞机中机翼等结构中出现的分层损伤,通过明确分层损伤构成的建模参数,以应用精确刚度阵法与Wittrick-Williams算法的软件VICONOPT为平台,并假设分层损伤厚度无穷小,建立含有分层损伤的复合材料薄板模型,采用控制变量法分析各个参数对自由振动下结构动力响应及振动模式。详细讨论了分层损伤几何尺寸和坐标轴3个方向位置对复合材料薄板结构影响,得到分层位置与固有频率变化趋势之间的联系,为使用固有频率反向确定结构分层损伤位置提供了理论依据。同时,以含有分层损伤的自由振动试验数据为基础,应用正交化固有频率变化量探测方法的自编程序,对比预测分层损伤位置与真实分层损伤位置,验证了该方法预测分层损伤的有效性,且操作简单、高效。此外,将复合材料悬臂梁结构自由振动试验数据代入自编程序中,采用正交化固有频率预测分层损伤位置方法同样可以得到可靠的预测结果。基于该试验数据的验证,从另一方面验证了该方法关于复合材料分层损伤位置探测具有一定可靠性,可以应用在实际工程中解决实际问题。此外,对于机翼结构实际的边界条件,考虑不同边界条件下含有分层损伤的结构探测仿真,对比不同严重程度、处于横向不同位置的分层损伤对探测结果的影响。最终得到结论:当分层损伤处于小范围内,固有频率仍然处于线性下降范围,基于频率测量模式的分层损伤探测方法可以应用于复合材料薄板结构中,完成分层损伤位置的预测。该方法旨在分层损伤扩大化引起结构失效破坏之前,将分层损伤探测到,以保证结构的安全性及使用性。
【关键词】：固有频率 薄板结构 分层损伤 位置预测
【学位授予单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V214.8;V215
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-21
• 1.1 选题背景介绍10-13
• 1.2 研究现状13-15
• 1.2.1 基于顺向问题的无损检测方法13
• 1.2.2 基于逆向问题的无损检测方法13-15
• 1.3 基于Wittrick-Williams算法的软件VICONOPT15-19
• 1.3.1 动力刚度阵法16-17
• 1.3.2 W-W算法17-18
• 1.3.3 VICONOPT的简介18-19
• 1.4 本文的基本思想19-20
• 1.5 本文研究目的和内容20-21
• 1.5.1 研究目的20
• 1.5.2 研究内容20-21
• 第二章 薄板结构分层损伤探测理论基础21-47
• 2.1 引言21
• 2.2 薄板结构分层损伤探测理论基础21-28
• 2.2.1 薄板结构分层损伤模型及机理21-23
• 2.2.2 薄板结构分层损伤探测的原理23-24
• 2.2.3 薄板结构分层损伤探测的方法24-28
• 2.3 影响分层损伤因素的验证28-46
• 2.3.1 分层损伤宽度 b28-34
• 2.3.2 分层损伤长度d34-35
• 2.3.3 分层损伤沿z方向位置35-39
• 2.3.4 分层损伤沿x方向位置39-41
• 2.3.5 分层损伤沿y方向位置41-46
• 2.4 本章小结46-47
• 第三章 探测方法试验验证47-59
• 3.1 引言47
• 3.2 基于试验（1）的探测方法验证47-53
• 3.2.1 试验（1）背景宏观描述47-49
• 3.2.2 试验（1）验证及误差分析49-53
• 3.3 基于试验（2）的探测方法验证53-58
• 3.3.1 试验（2）背景宏观描述53
• 3.3.2 试验（2）验证及误差分析53-58
• 3.4 本章小结58-59
• 第四章 探测方法数值模拟研究59-77
• 4.1 引言59
• 4.2 计算模型59
• 4.3 简支约束下轴对称分层损伤位置的探测仿真59-66
• 4.3.1 β=12.5mm分层损伤算例59-64
• 4.3.2 β=17.5mm分层损伤算例64-66
• 4.4 简支约束下近边缘分层损伤位置的探测仿真66-72
• 4.4.1 β=12.5mm分层损伤算例66-69
• 4.4.2 β=15mm分层损伤算例69-72
• 4.5 固支约束下居中分层损伤位置的探测仿真72-76
• 4.5.1 β=12.5mm分层损伤算例72-74
• 4.5.2 β=17.5mm分层损伤算例74-76
• 4.6 本章小结76-77
• 第五章 结论与展望77-79
• 5.1 结论77-78
• 5.2 展望78-79
• 致谢79-80
• 参考文献80-84
• 论文术语注释表84-85
• 在学期间发表的论文及参与科研情况85

【参考文献】

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 严刚;航空结构冲击载荷与损伤识别技术方法研究[D];南京航空航天大学;2009年

2 张璐;含分层缺陷复合材料层合板分层扩展行为与数值模拟研究[D];哈尔滨工业大学;2012年

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本文编号：876935