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三维机织复合材料的多尺度力学分析及疲劳性能研究

作　者: 焦志文
导　师: 周储伟
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 工程力学
关键词: 三维机织复合材料 周期性单胞 多尺度分析 疲劳分析 剩余刚度
分类号: TB332
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


本论文的研究分为两部分。第一部分采用多尺度的有限元方法研究了圆管状三维机织复合材料的力学性能,第二部分对一种三维机织复合材料的疲劳刚度下降进行了试验研究和细观有限元模拟。第一部分:1.建立了圆管状三维机织复合材料的微、细观多尺度单胞模型,用微观单胞描述了纱线束中纤维和基体两相材料的非均匀性;用细观扇形单胞代表圆管中纤维束的细观几何。分别讨论了微、细观单胞满足的周期性边界条件,给出了单胞上平均应力、应变的计算方法。用商用软件多点约束法的方法实现了上述微,细观单胞多轴荷载下的周期性边界条件。2.用上述多尺度的单胞模型对一种圆管状三维机织复合材料结构进行了多尺度耦合分析。首先由微观单胞计算出纤维束的平均弹性常数;再通过细观单胞分析,得到材料的宏观弹性常数。实现了由组分材料性能及编织参数预测圆管的宏观弹性性能。随后研究了复杂荷载下从大到小各尺度耦合的应力分析。对于圆管环向应力非周期分布的情况,建立了嵌入细观单胞的环状模型。第二部分:1.对一种三维机织复合材料分别进行了静态拉伸及拉-拉疲劳性能试验,得到了试验件的初始刚度,静强度和疲劳载荷下剩余刚度退化曲线,对试验件疲劳损伤演化进行拍摄了,并对疲劳断裂后的试验件的微、细观断裂面进行了观察,总结出材料的疲劳损伤机理。2.建立了上述三维机织复合材料疲劳损伤的有限元模型,对疲劳加载进行了模拟,研究了疲劳累积损伤下材料力学性能的退化模式,给出了材料的疲劳失效判断准则和疲劳剩余刚度退化模型。利用商用软件ABAQUS的UMAT用户子程序功能实现了疲劳累积损伤的有限元模拟。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-11
第一章 绪论  11-15
  1.1 引言  11
  1.2 三维机织复合材料力学性能的研究现状  11-13
  1.3 论文的研究内容和意义  13-15
第二章 圆管状三维机织复合材料的多尺度单胞模型研究  15-23
  2.1 引言  15-16
  2.2 多尺度单胞模型  16-18
    2.2.1 微观单胞模型  16
    2.2.2 细观单胞模型  16-17
    2.2.3 细观单胞模型编织参数的确定  17-18
  2.3 微、细观单胞边界条件的施加  18-22
    2.3.1 统一周期性边界条件  18-20
    2.3.2 圆管微、细观单胞边界条件的确定  20-21
    2.3.3 平均应力、应变计算  21-22
  2.4 本章小结  22-23
第三章 圆管状三维机织复合材料结构多尺度耦合分析  23-34
  3.1 引言  23
  3.2 基于细、微观两尺度单胞的平均弹性常数计算  23-26
    3.2.1 纱线束的平均弹性常数  24-25
    3.2.2 细观扇形单胞的平均弹性常数  25-26
  3.3 从结构分析到细、微观应力分析  26-27
  3.4 算例分析  27-33
  3.5 本章小结  33-34
第四章 三维机织复合材料疲劳性能试验研究  34-47
  4.1 引言  34-35
  4.2 试验试件的设计及制备  35-38
    4.2.1 试验件的加工  35-36
    4.2.2 试验设备及环境  36-38
  4.3 初始弹性常数和拉伸强度的测定  38-40
  4.4 三维机织复合材料的拉-拉疲劳试验  40-46
    4.4.1 试验方法  40
    4.4.2 疲劳载荷的确定及加载  40-42
    4.4.3 试验结果及分析  42-46
  4.5 本章小结  46-47
第五章 三维机织复合材料疲劳性能的有限元模拟  47-61
  5.1 引言  47
  5.2 疲劳加载过程中的应力分析  47-48
  5.3 疲劳累积损伤下材料力学性能的退化方法  48-50
    5.3.1 疲劳失效判定  48
    5.3.2 疲劳失效引起的突然退化  48-50
    5.3.3 疲劳损伤引起的缓慢退化  50
  5.4 有限元分析  50-52
    5.4.1 程序设计介绍  50-51
    5.4.2 程序中的假定  51-52
  5.5 算例分析  52-60
    5.5.1 单胞选取及初始刚度计算  52-54
    5.5.2 疲劳损伤模拟  54-60
  5.6 本章小结  60-61
第六章 总结与展望  61-63
  6.1 全文总结  61-62
  6.2 工作展望  62-63
参考文献  63-66
致谢  66-67
在学期间的研究成果及发表的学术论文  67

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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 > 非金属复合材料
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