复合材料多向损伤理论与试验验证

发布时间：2018-09-03 14:06

【摘要】：随着复合材料在工程中的应用越来越广泛,有寿命要求的复合材料结构设计采用静力覆盖疲劳的思想已不适应设计要求,为此需要对复合材料损伤机理进行深入系统地研究。本文在复合材料损伤力学的分析框架下,以损伤为桥梁‖,连接复合材料力学性能与外载荷。分别研究了复合材料多向刚度性能随损伤的变化规律以及损伤随载荷历程的变化规律,进而获得复合材料刚度性能随外载荷的变化规律;分别建立了复合材料刚度性能表征的连续介质多向损伤力学模型(CMDM)、准静态载荷以及疲劳载荷下复合材料基体裂纹多向损伤协同演化模型(MDCE),并进行了试验验证。本文的主要研究工作和研究成果有:对复合材料损伤力学的研究内容进行了系统的综述,介绍了现阶段损伤的刚度性能表征和损伤的演化规律的研究进展。从失效学系统论的角度,对复合材料损伤力学研究中的关注点进行了阐述。根据复合材料损伤的特点,选用协调多尺度建模策略,在不同尺度下研究损伤的多向影响,构建了复合材料损伤的协调多尺度分析与多向损伤理论框架。开展了E-glass/YPX-3300玻璃纤维复合材料损伤机理的试验研究。完成了材料基本力学性能测定试验、复合材料层合板试件在准静态载荷下的损伤演化试验、常幅疲劳载荷下的损伤演化试验以及复合材料圆管试件多轴加载试验。提出了复合材料刚度性能表征的连续介质多向损伤力学模型。在微观尺度下,定义了损伤张量,并采用参数化建模的有限元方法确定损伤的多向微观响应;在宏观尺度下,推导了以损伤为变量的复合材料单向板以及层合板的刚度性能,很好地表征了复合材料弥散型损伤对刚度性能的影响。采用Varna以及本文的试验结果验证了该模型多向刚度性能表征的预测能力。建立了准静态载荷下复合材料多向损伤协同演化的能量模型。在宏观尺度下,推导了包含微观损伤响应的基体裂纹损伤的能量释放率表达式,结合能量准则判定裂纹萌生。模型考虑了损伤间的相互作用、残余应力、材料非线性、材料初始损伤与损伤演化的不均匀性,给出了模拟分析流程。通过比较预测与试验结果,说明模型能够较准确地预测准静态载荷下复合材料损伤演化规律,并讨论了层合板的就位‖效应。提出了疲劳载荷下复合材料基体裂纹协同损伤多向演化模型。用初始裂纹萌生寿命曲线表征复合材料开裂层的疲劳特性,基于经典的Miner理论提出了复合材料损伤累积理论。该模型建立在准静态载荷损伤演化模型基础上,通过引入准静态分析中的临界能量释放率的分布,获得考虑初始缺陷的裂纹萌生寿命曲线;讨论了疲劳载荷水平对疲劳损伤演化过程的影响,亦给出了疲劳损伤演化模拟分析流程。采用常幅疲劳载荷下正交铺设层合板损伤演化试验对模型进行了验证,疲劳损伤演化试验结果基本均落在预测边界线内,疲劳中前期预测的剩余刚度退化曲线与试验结果吻合较好。通过分析计算结果获得等损伤寿命曲线族,方便快速地获得任意疲劳载荷水平下的损伤演化规律。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33;O346.5

【相似文献】