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1、復(fù)合材料層合板的低速?zèng)_擊損傷模擬天津大學(xué)碩士學(xué)位論文復(fù)合材料層合板的低速?zèng)_擊損傷模擬姓名:王昌海申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:碩士專業(yè):固體力學(xué)指導(dǎo)教師:石廣玉2011-12摘要纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板由于具有高比模量及高比強(qiáng)度等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),所以廣泛的應(yīng)用于航空航天以及汽車制造等領(lǐng)域。然而在其厚度方向上,強(qiáng)度較弱,特別是鋪層間粘接層的強(qiáng)度更低,以至于在受到低速橫向沖擊時(shí)容易產(chǎn)生各種損傷、破壞甚至斷裂。主要的損傷形式有基體開(kāi)裂、基體剪切、纖維斷裂以及層間分層。其中,層間分層損傷和基體開(kāi)裂是最常見(jiàn)也是最危險(xiǎn)的破壞形式,因
2、此層問(wèn)分層也成為了國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者的主要研究課題。復(fù)合材料層合板受到橫向沖擊的過(guò)程中,纖維方向不同的鋪層間的粘接層極易發(fā)生損傷,而損傷的產(chǎn)生及擴(kuò)展是一個(gè)逐漸的過(guò)程,在這個(gè)過(guò)程中材料的性能及強(qiáng)度是逐漸下降的?，F(xiàn)在人們常用沖擊物體對(duì)靶體作用的等效動(dòng)載進(jìn)行沖擊損傷模擬,這種等效動(dòng)載法雖然效率高,但不夠準(zhǔn)確。因此,復(fù)合材料層合板低速?zèng)_擊過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬是能夠更好描述層間分層的產(chǎn)生及擴(kuò)展的一種方法。本文將對(duì)復(fù)合材料層合板在低速?zèng)_擊下的損傷進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬。本文主要進(jìn)行了以下研究工作:整理和歸納適用于層合板沖擊損
3、傷模擬的材料模型和損傷準(zhǔn)則,并評(píng)述了將沖擊問(wèn)題轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)靜態(tài)問(wèn)題的模擬方法。以模擬結(jié)果為例,總結(jié)了一步退化準(zhǔn)則得到的層合板粘接層的損傷位置及幾何形狀:使用.軟件進(jìn)行低速?zèng)_擊下的復(fù)合材料層合板沖擊損傷的動(dòng)態(tài)模擬,探討動(dòng)態(tài)損傷模擬的建模技術(shù),以期得到復(fù)合材料層合板在低速?zèng)_擊下的更為準(zhǔn)確的損傷位置及損傷形狀和面積。通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較研究了復(fù)合材料的材料模型和損傷判據(jù)選對(duì)界面分層擴(kuò)展和基體開(kāi)裂的影響。以實(shí)驗(yàn)結(jié)果和動(dòng)態(tài)沖擊損傷的模擬結(jié)果為依據(jù)評(píng)估了準(zhǔn)靜態(tài)沖擊損傷模擬的精度。關(guān)鍵詞:纖維增強(qiáng)層合板沖擊損傷分層
4、基體開(kāi)裂動(dòng)態(tài)模擬?,.,.,?.,,.,,.?,.,,.,?.,.?.:.,...?.?...,....:,,,,,?第一章緒論第一章緒論.引言復(fù)合材料是通過(guò)物理和化學(xué)的方法在宏觀上使多種具有不同性質(zhì)的組分材料形成一種具有新性能的材料。復(fù)合材料一般在性能上都會(huì)優(yōu)于組分材料,綜合組分材料的優(yōu)點(diǎn),彌補(bǔ)各組分材料的不足,并且具有原來(lái)材料不具備的性能,從而在剛度、強(qiáng)度、熱學(xué)等性能方面達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展的現(xiàn)代化時(shí)代,人類已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了多種多樣功能不同的復(fù)合材料。由于具有高比模量、高比強(qiáng)度、耐高溫
5、、抗疲勞、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),復(fù)合材料廣泛地應(yīng)用于航天、航空、汽車、船舶、石油化工、醫(yī)療設(shè)備、橋梁、建筑等等眾多的工業(yè)領(lǐng)域?。尤其近年來(lái),先進(jìn)的復(fù)合材料己從以往的僅用于航天器及軍用飛機(jī)的狀況,發(fā)展到成為當(dāng)今各類先進(jìn)民用飛機(jī)的首選材料。先進(jìn)復(fù)合材料在飛機(jī)上的用量及應(yīng)用部位己成了衡量飛機(jī)結(jié)構(gòu)先進(jìn)性及效率的重要指標(biāo)之一。在近五十年來(lái)的飛機(jī)制造行業(yè)中,由于復(fù)合材料質(zhì)量小、強(qiáng)度大以及可以滿足特殊設(shè)計(jì)的材料性能,因此在當(dāng)今的飛機(jī)制造中,復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用已經(jīng)成為一種現(xiàn)象,飛機(jī)制造已經(jīng)越來(lái)越依賴復(fù)合材料。因此
6、復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)對(duì)于高科技領(lǐng)域的制造業(yè)以及一些電子產(chǎn)品的外形設(shè)計(jì)上都具有重大意義。圖一所示的是復(fù)合材料在現(xiàn)代飛機(jī)制造中近些年來(lái)的使用比例的變化情況。從圖中我們可以看出復(fù)合材料的應(yīng)用普及速度之快。摹羞‰≥客啦斌奠如骶鼉;剪粥登∞巧;.:母“÷‘×:年物圖?現(xiàn)代飛機(jī)中復(fù)合材料的應(yīng)用情況第一章緒論由于應(yīng)用性質(zhì)的不同,通常我們可以把復(fù)合材料分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料以及功能復(fù)合材料。功能復(fù)合材料是指那些提供物理性能的復(fù)合材料,但并不包括機(jī)械性能的材料。結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的構(gòu)成部分主要是一些樹(shù)脂、金屬等材料構(gòu)成的基體
7、以及纖維和顆粒等材料構(gòu)成的增強(qiáng)材料。其中,增強(qiáng)材料起著主要的作用,它主要功能是提供剛度以及強(qiáng)度,控制著復(fù)合材料的性能:而基體材料則主要為輔助的作用,基體支持并固定纖維材料?？梢韵胂?在飛機(jī)或者輪船等重要交通工具的使用及維修上,不可避免的會(huì)發(fā)生一些輕微的碰撞,如在維修中維修工具的碰撞或者錘子的掉落以及在正常使用中都會(huì)不可避免的發(fā)生一些質(zhì)量小的物體的低速?zèng)_擊,但由于這種沖擊并不會(huì)造成肉眼可見(jiàn)的損傷破壞而被忽視,然后這些低速?zèng)_擊會(huì)對(duì)材料內(nèi)部產(chǎn)生微妙的影響及破壞,因此為這種層合板在低速?zèng)_擊下的模擬是具有重
8、要的實(shí)際意義的。所以,結(jié)構(gòu)復(fù)合材料板殼為我們的主要研究對(duì)象。由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是各向異性的材料性能,在厚度方向上的強(qiáng)度是很弱的,尤其是鋪層間的粘接層的強(qiáng)度更低?。這會(huì)導(dǎo)致復(fù)合材料板殼在制造、運(yùn)輸中,以及服役期間受到其他物體的橫向沖擊后會(huì)容易產(chǎn)生沖擊損傷和破壞【,進(jìn)而導(dǎo)致板殼的剩余強(qiáng)度下降,嚴(yán)重地影響材料的性能。高速的物體對(duì)復(fù)合材料板殼結(jié)構(gòu)的沖擊會(huì)導(dǎo)致明顯的局部破壞,如表面目視可測(cè)的基體和纖維破壞、侵徹甚至貫徹,但是這些損傷破壞都會(huì)很容易地被檢測(cè)出來(lái)。然而,受到低速?zèng)_擊的復(fù)合材料板
