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碳纤维智能层及其结构的数值模拟

作　者: 梅曙辉
导　师: 李卓球
学　校: 武汉理工大学
专　业: 固体力学
关键词: 碳纤维智能层数值模拟损伤压阻 ANSYS
分类号: O341
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 75次
引　用: 1次
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内容摘要

本课题由国家自然科学基金项目“碳纤维智能层的多场耦合机理及其场域诊断”(10672128)资助。为了检测面域上的应变信息，可将传感材料连续的覆盖在混凝土结构表面形成一个智能层，并利用其功能特性将结构的应变场转化为易于检测的电流场，通过对电场的检测来感知所覆盖的结构区域内任意点不同的应变或捕捉其损伤。短切碳纤维机敏混凝土和碳纤维毡具有极高的压阻敏感性，可以作为上述的智能层使用，在本文中将它们定义为碳纤维智能层。伴随着研究的逐渐深入，需要在原理性试验的基础上提出相关的理论并加以验证，这时候数值模拟计算的重要性就凸现出来。一方面，数值模拟可以根据假设理论进行计算并与真实试验的结果加以比较以检验假设理论的合理性；另一方面，可以人为的去除一些非主要因素的影响，为不断深入的理论研究提供更多、更理想的“虚拟实验”，而且借助虚拟试验，可以部分的省去碳纤维智能层制作周期长、工艺复杂带来的麻烦，从而可以节省时间、提高效率。在这两点上来讲，本文的研究是具有十分重要意义的。本文的主要成果及创新之处如下：1、模拟了力场作用下电势场分布情况及随力场而发生变化的规律，分析试验中差动法初值不为零的原因及解决方案，并探讨了利用智能层的压敏特性对简支梁的跨中挠度进行检测的可行性。2、研究梁在出现结构损伤时智能层的响应情况，提出判定损伤位置及损伤程度的方法，并验证该方法的可行性。3、模拟梁在动荷载作用下以及在结构发生动态损伤时智能层的响应情况。本文研究成果，对碳纤维智能层的理论研究及工程应用均具有重要指导意义。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪言  10-14
  1.1 课题研究的背景及目的  10-11
  1.2 数值模拟技术在工程中的应用  11-12
  1.3 碳纤维智能层的结构特点及性能  12-13
  1.4 本课题研究的内容  13-14
第2章有限元数值模拟的相关理论  14-27
  2.1 有限元法  14-22
    2.1.1 力场中的有限元法介绍  14-17
    2.1.2 电场中的有限元方程  17-22
  2.2 压阻特性的基本原理  22-23
  2.3 有限元程序结构及其特点  23-27
    2.3.1 有限元程序的特点  23-24
    2.3.2 有限元程序的分类  24
    2.3.3 有限元程序的结构组成  24-27
第3章碳纤维智能层及其结构的有限元模型  27-35
  3.1 物理模型  27-28
  3.2 实体模型的简化  28-29
  3.3 实体模型的建立  29-30
  3.4 有限元模型的建立  30-33
    3.4.1 单元的选择  30-31
    3.4.2 网格划分和界条件的处理  31-32
    3.4.3 材料的性能参数  32-33
    3.4.4 求解器的选择  33
  3.5 通用有限元分析软件ANSYS的概述  33-34
  3.6 ANSYS中分析计算流程图  34-35
第4章碳纤维智能层叠层梁的数值模拟  35-46
  4.1 研究对象  35-37
    4.1.1 试验模型  35-36
    4.1.2 数值模拟模型  36-37
    4.1.3 有限元模型  37
  4.2 计算结果及分析  37-42
    4.2.1 碳纤维机敏混凝土智能层表面上电势的分布  37-40
    4.2.2 计算结果与试验结果的比较  40-42
  4.3 跨中集中力荷载施加在上表面与施加在中性层的区别  42-43
  4.4 上下碳纤维智能层厚度不同对结果的影响及解决方案  43-44
  4.5 差动电压与梁跨中挠度的关系  44-45
  4.6 结语  45-46
第5章碳纤维智能层对损伤及动态荷载的响应  46-66
  5.1 研究对象  46-48
    5.1.1 实体模型  46-47
    5.1.2 有限元模型  47
    5.1.3 关于参数的选择  47-48
  5.2 计算结果及分析  48-54
    5.2.1 跨中承受集中力荷载时各段电压的分布  48-49
    5.2.2 不同位置的缺陷对结果的影响  49-52
    5.2.3 不同程度的缺陷对结果的影响  52-54
  5.3 缺陷位置的判定  54-61
    5.3.1 两个假设  54-55
    5.3.2 曲线的拟合  55-57
    5.3.3 两种拟合方法的结果比较  57-58
    5.3.4 缺陷位置的判定  58-59
    5.3.5 对缺陷严重程度的表征  59-61
  5.4 动态响应  61-65
    5.4.1 结构无缺陷时碳纤维智能层的响应  61-62
    5.4.2 结构有缺陷时碳纤维智能层的响应  62-64
    5.4.3 缺陷处单元刚度逐渐折减时碳纤维智能层的响应  64-65
  5.5 结语  65-66
第6章结论与展望  66-68
  6.1 全文总结  66-67
  6.2 研究展望  67-68
参考文献  68-71
致谢  71-72
攻读硕士学位期间发表的学术论文与参研项目  72

碳纤维智能层及其结构的数值模拟

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