纏繞復(fù)合材料剛度及損傷失效預(yù)測方法研究.pdf

1、纏繞復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在航空航天等領(lǐng)域取得了廣泛的應(yīng)用,國內(nèi)外很多型號(hào)的火箭、導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)射筒采用纏繞復(fù)合材料替代傳統(tǒng)的金屬材料,降低結(jié)構(gòu)重量提高火箭或?qū)椀男阅堋＠p繞復(fù)合材料可以獲得較高的纖維含量高(最高可達(dá)80％)；便于控制制品質(zhì)量穩(wěn)定性:制品內(nèi)表面光滑；生產(chǎn)效率高。對(duì)纏繞復(fù)合材料剛度、損傷失效的預(yù)測研究具有重要的理論意義及工程應(yīng)用價(jià)值,本文主要開展了以下研究工作:
　　 (1)提出并建立了纏繞復(fù)合材料細(xì)觀剛度模型與

2、預(yù)測方法?；诶p繞復(fù)合材料特征單元及其周期性分布特點(diǎn),將纏繞復(fù)合材料剛度視為剛度場,采用二維傅立葉級(jí)數(shù)方法,推導(dǎo)、建立了特征單元的細(xì)觀剛度場函數(shù)和材料整體剛度矩陣:采剛數(shù)值積分利解析法相結(jié)合,推導(dǎo)了剛度場函數(shù)與纖維束剛度矩陣的關(guān)系式。數(shù)值算例表明,所建立的細(xì)觀剛度模型與預(yù)測方法,能夠很好地預(yù)測結(jié)構(gòu)的剛度及其細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)剛度的影響。
　　 (2)基于所提出的細(xì)觀剛度模型并結(jié)合逐漸累積損傷分析方法,發(fā)展并建立了纏繞復(fù)合材料結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)分析

3、方法,即逐漸損傷有限元分析方法。首先,建立了基于細(xì)觀剛度模型的纏繞復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有限元分析技術(shù)；其次,將本文所發(fā)展的纏繞復(fù)合材料結(jié)構(gòu)有限元分析技術(shù)和細(xì)觀剛度模型分別引入幾何人變形有限元應(yīng)力應(yīng)變分析和材料彈性參數(shù)退化,采用Hashin準(zhǔn)則和材料彈性參數(shù)折減退化準(zhǔn)則,進(jìn)行結(jié)構(gòu)的逐漸損傷失效分析；數(shù)值算例與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析表明,本文所建立結(jié)構(gòu)分析方法能夠反映材料內(nèi)部應(yīng)變分布,對(duì)不同張力方案、不同固化方案,應(yīng)變有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值均吻合較好；對(duì)

4、不同纏繞線形的纏繞復(fù)合材料圓管,可以較好的預(yù)測其軸向拉伸失效強(qiáng)度及軸向拉伸過程中損傷的擴(kuò)展。
　　 (3)對(duì)不同纏繞線形、不同張力方案及不同固化方案加工的纏繞復(fù)合材料圓管進(jìn)行軸向拉伸試驗(yàn),對(duì)纏繞復(fù)合材料的應(yīng)力應(yīng)變、拉伸強(qiáng)度以及纏繞線形、張力方案和固化方案對(duì)軸向拉伸模量及軸向拉伸強(qiáng)度的影響等進(jìn)行了試驗(yàn)研究。首次進(jìn)行了纏繞復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力應(yīng)變特性影響的試驗(yàn)分析。試驗(yàn)結(jié)果表明,纏繞復(fù)合材料的軸向應(yīng)變分布不均勻,纖維束交叉區(qū)域的軸

5、向應(yīng)變大于層合區(qū)域軸向應(yīng)變。張力方案及固化方案對(duì)纏繞復(fù)合材料圓管軸向拉伸模量及軸向拉伸強(qiáng)度有一定的影響；纏繞線形對(duì)軸向拉伸強(qiáng)度有較大影響。
　　 (4)對(duì)纏繞復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)研究,對(duì)纏繞復(fù)合材料圓管進(jìn)行切割并對(duì)切割截面進(jìn)行顯微拍照,通過宏觀目視與顯微拍照兩種方式,對(duì)纏繞復(fù)合材料內(nèi)部纖維樹脂的分布、纖維走向的變化、鋪層厚度、纖維波動(dòng)段的幾何形狀及其數(shù)學(xué)描述等細(xì)觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了研究。研究表明,纏繞復(fù)合內(nèi)部同一鋪層內(nèi)存在不同