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先进复合材料层压板广义强度准则初步研究

作　者: 陈博
导　师: 汪海
学　校: 上海交通大学
专　业: 固体力学
关键词: 先进复合材料 强度准则 刚度退化 极限强度 二次开发
分类号: TB33
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 178次
引　用: 4次
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内容摘要


先进复合材料(主要指纤维增强树脂基复合材料)在航空、航天领域得到了广泛的应用,但由于其破坏机理十分复杂,目前在先进复合材料的强度分析和安全评估方面还存在一些困难。其中一个主要问题是难以找到一个准确而又适用于各种条件的强度准则,同时,还面临着如何准确计算复合材料极限强度的问题。本文作为先进复合材料层压板广义强度准则系列研究工作的一部分,首先从复合材料单层板在偏轴试验中的破坏特征出发,研究了单层板在偏轴载荷作用下的破坏机理,将单层板的破坏分为五种破坏模式。分析了不同破坏模式中各应力分量间的耦合效应,以及偏轴角度对耦合效应的影响,提出了先进复合材料单层板强度准则的修正式。该修正式引入了应力比来考虑耦合效应的影响,引入了耦合参数来考虑偏轴角度对耦合效应的影响,引入了附加应力项来考虑纤维模量与基体模量间差异所带来的影响。修正式中的耦合参数通过偏轴试验来确定,该耦合参数反映了因材料细观结构不同而产生的对强度准则的影响。将本文强度准则修正式与其他三种常用准则和试验数据进行了分析对比,结果表明,本文计算结果与试验数据吻合更好。本文还对复合材料的极限强度分析方法进行了研究。分析了复合材料在不同载荷作用下所表现出的非线性行为,基于线性回归方法,提出了一种较为简单的获得瞬时模量的方法。研究了复合材料层压板在拉伸载荷作用下的刚度退化方法,提出了基体屈服模型和纤维性能函数,并建立了考虑破坏模式间相互影响的刚度退化模型。将本文刚度退化模型与其他理论和试验数据进行了对比,得到了比较满意的结果。在此基础上,研究了双轴拉伸应力比和铺层角度对斜交层压板的应力-应变行为和极限强度的影响。此外,为了实现本文提出的先进复合材料层压板强度分析方法在实际工程中的应用,本文还以MSC.Patran/Nastran软件为平台,利用PCL语言和Fortran语言,开发了复合材料层压板强度分析系统,并将一些常用的强度准则、本构模型和刚度退化模型在该系统中进行了集成和算例演示验证。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-9
第一章 绪论  9-18
  1.1 课题研究背景  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-16
  1.3 本文研究的主要内容  16-18
第二章 复合材料单层板强度准则的修正式  18-53
  2.1 复合材料单层板的刚度和强度  18-23
    2.1.1 基本假设  18
    2.1.2 复合材料单层板的应力-应变关系  18-20
    2.1.3 弹性系数的坐标转换  20-22
    2.1.4 复合材料单层板的强度  22-23
  2.2 复合材料的破坏准则  23-28
    2.2.1 结构类型的破坏准则  23
    2.2.2 多项式类型的破坏准则  23-25
    2.2.3 层间破坏准则  25-26
    2.2.4 纤维和基体破坏模式不同的准则  26-27
    2.2.5 基于应变能的破坏准则  27-28
    2.2.6 断裂准则  28
  2.3 基于耦合参数的强度准则修正式  28-51
    2.3.1 拉伸载荷作用下的破坏准则修正式  29-38
    2.3.2 压缩载荷作用下的破坏准则修正式  38-44
    2.3.3 与常用准则的比较  44-51
  2.4 本章小结  51-53
第三章 复合材料层压板极限强度分析  53-78
  3.1 层压板的刚度  53-55
  3.2 非线性本构模型  55-60
  3.3 刚度退化模型  60-65
  3.4 层压板极限强度计算流程  65-66
  3.5 算例分析  66-76
    3.5.1 理论模型的验证  66-69
    3.5.2 单层板的破坏包络线  69-72
    3.5.3 双轴拉伸应力比和铺层角对斜交层压板性能的影响  72-76
  3.6 本章小结  76-78
第四章 复合材料层压板强度分析系统  78-92
  4.1 MSC.Patran/Nastran 软件的复合材料分析  78-79
  4.2 基于PCL 语言和Fortran 语言的软件开发  79-85
    4.2.1 集成开发环境  79-80
    4.2.2 强度分析系统的开发流程  80-82
    4.2.3 强度分析系统的实现  82-85
  4.3 强度分析系统的结构体系框架  85-89
  4.4 强度分析系统的验证  89-91
  4.5 本章小结  91-92
第五章 总结与展望  92-95
  5.1 总结  92-93
  5.2 展望  93-95
参考文献  95-98
致谢  98-99
攻读学位期间已发表或录用的论文  99-101

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中图分类: > 工业技术 > 一般工业技术 > 工程材料学 > 复合材料
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