含沖擊損傷復(fù)合材料層壓板表面應(yīng)變特征研究.pdf

1、碳纖維增強復(fù)合材料具有比強度、比剛度高,可設(shè)計性等特點,在許多重要工程結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應(yīng)用。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在制造和使用過程中常常會遭受到如工具墜落等低速沖擊。由于復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)對沖擊損傷十分敏感,即使在沖擊能量較低、結(jié)構(gòu)外表面未產(chǎn)生勉強目視可見損傷的情況下,也會在結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生諸如基體開裂、基體剪切、分層和纖維斷裂等微觀損傷,這些損傷將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)強度的大幅下降。不同的損傷類型和損傷程度會造成不同的承載性能下降:若發(fā)生較大的基體損傷和層間損

2、傷,必然大大削弱結(jié)構(gòu)的抗壓性能;若發(fā)生較大的纖維損傷,必然大大削弱結(jié)構(gòu)的抗拉性能。因此,對于某種特定的載荷情形,損傷區(qū)域的應(yīng)變場相對于完好結(jié)構(gòu)必然發(fā)生明顯的應(yīng)變突變。若能發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷對表面應(yīng)變影響的規(guī)律與機理,并且利用現(xiàn)有全場應(yīng)變監(jiān)測技術(shù)監(jiān)測識別出結(jié)構(gòu)表面應(yīng)變突變,進而確定層壓板的損傷程度和損傷位置,對于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測無疑具有重要意義。
　　本文采用有限元仿真以及全場數(shù)字圖像相關(guān)性測量實驗研究了含損傷層壓板在承受載荷的情況

3、下,表面應(yīng)變特征變化情況。主要工作包括下面四個方面:
　　1.使用ABAQUS軟件建立層壓板有限元模型,利用Cohesive單元模擬層間損傷, Hashin準則判斷層壓板纖維以及基體損傷。使用“準靜態(tài)”靜壓痕加載方法模擬結(jié)構(gòu)沖擊損傷,將帶有損傷信息的有限元模型利用“數(shù)據(jù)傳遞技術(shù)”再次導(dǎo)入 ABAQUS軟件，進行拉、壓、剪載荷下的表面應(yīng)變響應(yīng)模擬,研究含損傷層壓板表面應(yīng)變突變的機理及應(yīng)變變化規(guī)律。討論了損傷識別和損傷定位的方法,為復(fù)

4、合材料層壓板的全場應(yīng)變?nèi)毕輽z測提供依據(jù)。
　　2.以層壓梁理論為基礎(chǔ),推導(dǎo)出非對稱層壓板軸向剛度與抗彎剛度公式,可計算含分層子板與基板所承受的載荷。認為含分層子板局部屈曲由其抗彎剛度最大的分層決定,含有相同最大抗彎剛度分層的不同子板具有相同的屈曲載荷。若已知某種含分層子板屈曲載荷,利用所推公式可預(yù)測出含有同樣最大抗彎剛度分層的其他板發(fā)生分層屈曲時的整體應(yīng)變。用ABAQUS有限元分析軟件進行了多種分層面積、分層深度和分層位置的分層屈

5、曲仿真,用于檢驗上述方法。對比結(jié)果表明:預(yù)測公式所得計算結(jié)果與有限元結(jié)果吻合較好,可用于建立多種分層參數(shù)識別的參照樣本庫。
　　3.以MATLAB為平臺,開發(fā)基于數(shù)字圖像相關(guān)性( Digital Image Correlation,DIC)原理的二維全場應(yīng)變測量軟件,可迅速方便的對一系列圖像進行相關(guān)性計算,求出圖像相對點的位移場、應(yīng)變場。利用勻質(zhì)鋼板進行標定實驗,并與應(yīng)變片測量數(shù)據(jù)、有限元模擬進行對比,結(jié)果十分接近。證明軟件測量結(jié)