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定向有机玻璃力学性能的实验和数值模拟研究

作　者: 尚伟
导　师: 计欣华
学　校: 天津大学
专　业: 固体力学
关键词: 定向有机玻璃等达因各向异性数字图像频域相关弹性常数断裂韧性热-光曲线
分类号: TQ325.7
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

近年来由于飞机舱盖有机玻璃部件断裂破坏造成的爆舱事故屡次发生,以及空中飞行可视范围扩大的需要,飞机透明件定向有机玻璃材料的力学性能逐渐得到研究人员的重视。本文分别沿不同方向在定向有机玻璃板材中取出两种试件,并运用等达因法测试定向有机玻璃的应力状态。通过分析不同试件沿不同方向入射的等达因条纹图可以得出定向有机玻璃具有各向异性力学行为,并建立定向有机玻璃的各向异性力学模型,其由六个独立的弹性常数所确定。运用数字图像频域图像相关分析法测试定向有机玻璃各个方向上的弹性常数。数字图像频域图像相关分析法的原理为记录被测物体加载前后的灰度图像,并运用逐点或全场分析方法求得被测物体表面的变形,本文选用逐点分析方法。通过分析测得的各个方向上的弹性常数,得出定向有机玻璃沿取向方向上的力学性能要比在与取向垂直的方向力学性能强,此结论也能反映定向有机玻璃各向异性的力学行为,进而验证所建立的模型的正确性。由于定向有机玻璃具有各向异性的力学行为,本文分别测试在两个不同平面内开裂的断裂韧性,一是裂纹在取向平面内,另一是裂纹在与取向平面垂直的平面内。由于受到试件尺寸的限制,没有足够的空间置入引伸计,故本文运用数字图像频域相关分析法代替引伸计来测裂纹张口位移V。测试出的在取向平面内开裂的断裂韧性要比在与取向平面垂直的平面内开裂的断裂韧性大,由此可得在与取向平面垂直的平面内开裂表面裂纹比在取向平面内开裂的孔周裂纹更容易开裂,因此必须更加关注飞机舱盖上的表面裂纹。为了与实验结果进行比较,根据建立的模型和测得的弹性常数运用有限元方法测试出在不同平面内开裂裂纹尖端的应力应变分布,并在matlab平台上进行显示。通过分析应力应变数值可以得出与实验方法相同的结论,即表面裂纹比孔周裂纹更容易开裂。此结论对飞机舱盖有机玻璃部件使用寿命的预测有着重要的指导意义。最后,测试出反映有机玻璃温度特性的热-光曲线,它是研究有机玻璃不同温度下的力学性能的基础。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章绪论  8-15
  1.1 有机玻璃高分子材料的性质及其应用  8-10
  1.2 有机玻璃高分子材料力学性能的研究现状  10-11
  1.3 选题的研究意义  11-13
  1.4 课题研究的主要内容  13-15
第二章定向有机玻璃各向异性力学模型的建立  15-41
  2.1 各向异性材料力学  15-18
  2.2 等达因实验方法  18-23
    2.2.1 散光法  18-20
    2.2.2 等达因法  20-23
  2.3 定向有机玻璃应力状态的测试  23-27
    2.3.1 应力状态测试实验试件的选取  23
    2.3.2 运用等达因法测试应力状态  23-26
    2.3.3 等达因实验结果分析  26-27
  2.4 数字图像频域相关分析法  27-31
    2.4.1 数字图像频域相关逐点分析法  27-30
    2.4.2 数字图像频域相关逐点分析法中的数字相移技术  30-31
  2.5 定向有机玻璃弹性常数的测试  31-41
    2.5.1 弹性常数测试方法的选取  31-32
    2.5.2 测定弹性常数试件的选取  32
    2.5.3 弹性常数的实验测试结果  32-40
    2.5.4 弹性常数测试结果分析  40-41
第三章定向有机玻璃断裂力学性能研究  41-57
  3.1 断裂力学  41-44
  3.2 传统的断裂韧性测试方法  44-46
  3.3 断裂韧性的光学实验测试  46-51
    3.3.1 断裂韧性测试试件的选取  46-48
    3.3.2 断裂韧性测试结果  48-50
    3.3.3 断裂韧性测试结果分析  50-51
  3.4 裂纹尖端区域力学性能的有限元数值模拟研究  51-57
    3.4.1 运用有限元法计算裂纹尖端区域应力应变场  51-56
    3.4.2 有限元数值模拟结果分析  56-57
第四章定向有机玻璃热光曲线测试  57-65
  4.1 热光曲线  57-58
  4.2 非整数级等差线的测量  58-60
    4.2.1 Tardy补偿法  58-59
    4.2.2 光度计补偿法  59-60
  4.3 热光曲线的实验测试  60-65
    4.3.1 Tardy补偿法实验结果  60-61
    4.3.2 光度计补偿法实验结果  61-64
    4.3.3 热-光曲线实验结果分析  64-65
第五章总结与展望  65-66
参考文献  66-71
发表论文和参加科研情况说明  71-72
致谢  72

定向有机玻璃力学性能的实验和数值模拟研究

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