含预制分层复合材料孔板屈曲及分层扩展研究

摘要

碳纤维复合材料作为一种具有优良特性的新型复合材料，广泛应用于航空航天、船舶、交通、医疗器械等领域，为实现装备轻量化，提高结构效率提供了有效途径。但是，在生产制造、运输以及其他加工过程等环境中，复合材料层合结构在面外载荷作用下极易产生多种损伤，特别是不可见的分层损伤，严重威胁结构服役安全性。复合材料螺栓连接与修补过程中，在刀具进给力作用下，产生的孔边分层是复合材料制孔过程的常见损伤之一。目前研究者分别分析了中心孔和分层损伤对层合板承载能力的影响，缺乏中心孔与分层损伤对层合板失效行为的综合研究。本文以含分层损伤碳纤维复合材料孔板的失效过程为研究对象，采用实验与数值模拟相结合的研究方法，分析了压缩载荷作用下含孔层板的局部屈曲、整体屈曲和分层损伤扩展行为，研究了不同分层损伤对含孔层板失效行为以及结构临界承载能力的影响。 首先，针对含孔层板内分层损伤形式多样及损伤不易测量的缺点，采用预埋人工分层的方式制备含特定分层缺陷的复合材料孔板试样。对制备的试样进行压缩加载测试，通过分级加载的方式辅以超声浸水C扫描无损检测设备，在记录试样屈曲形式的同时，观察试样层间的分层扩展现象并记录实验数据。结果表明在位移压缩加载形式下，几何中心含预埋分层缺陷的复合材料孔板屈曲模式为：初始受压、局部屈曲和整体屈曲。屈曲过程中分层扩展路径为：先沿试样宽度方向即与载荷垂直方向扩展，至贯穿试样宽度方向后再沿试样长度方向即与载荷平行方向继续扩展直至最终破坏。该工作为数值模拟研究提供了实验基础。 其次，采用ABAQUS Standard模块建立有限元模型模拟分层扩展行为。复合材料试样采用体单元建模，预制分层的层间设置内聚力单元，并根据内聚力理论设置分层扩展的起始损伤准则和损伤扩展准则。将模拟结果与实验结果对比后发现，无论是在层合孔板屈曲临界载荷的计算方面，还是在分层扩展路径的预测方面，数值模拟结果能够很好地拟合实验结果，且误差均在15.9%以内，表明本文中提出的模型能够针对含分层复合材料孔板屈曲及分层扩展做出比较准确的预测。同时根据机理性分析可知，由于孔边存在应力集中且最大应力位于孔边与载荷垂直方向，因此在宽度方向首先发生分层扩展。产生初始分层时的剪切应力S13大于Ⅰ型剪切强度TⅠ，剥离应力S33小于Ⅱ型剪切强度TⅡ，因此在分层的初始扩展阶段以Ⅰ型破坏为主，分层扩展过程中剪切应力S13大于Ⅰ型剪切强度TⅠ，且剥离应力S33为大于Ⅱ型剪切强度TⅡ，因此在分层的扩展过程中以混合型破坏模式为主。 最后，针对分层损伤进行敏感性分析，研究了分层形状、尺寸和厚度方向不同层间位置的耦合分层对复合材料孔板的屈曲以及分层扩展的影响。结果表明，当分层的层间位置以及分层形状均相同时，分层的尺寸越大，临界屈曲载荷越小，且临界屈曲载荷下降越快，孔板极限承载能力越小，仅改变分层形状对屈曲模式和分层扩展模式无显著影响。当厚度方向存在耦合分层且分层位于层合板中性面同侧时，先是近表面处分层上部子层合板发生局部屈曲，随载荷的增加，模型发生整体屈曲直至最终失稳破坏，同时其分层扩展模式与单个分层的扩展模式相同；当分层位于层合板中性面两侧时，首先在距中性面较近的子层合孔板发生屈曲，然后是距中性面较远的子层合孔板发生屈曲，最后是整体的屈曲行为。 本文研究成果能为复合材料结构损伤容限的确定提供一定的理论依据，对复合材料的应用提供基础支持。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 复合材料的损伤容限定义及损伤来源

1.2.2 复合材料损伤容限的实验及数值模拟研究

1.2.3 复合材料的分层损伤研究

1.2.4 含分层的复合材料屈曲行为研究

1.3 目前存在的问题

1.4 本文主要研究内容

第2章 复合材料层合板基础理论分析

2.1 复合材料层合板结构力学分析

2.1.1 各向异性复合材料本构模型

2.1.2 复合材料单层板应力-应变关系

2.1.3 复合材料层合板的宏观力学性能

2.2 内聚力界面单元理论基础分析

2.2.1 内聚力单元模型本构方程

2.2.2 分层损伤起始准则

2.2.3 分层损伤扩展准则

2.3 复合材料层合板结构屈曲理论分析

2.4 本章总结

第3章 含分层复合材料孔板的屈曲及分层扩展实验研究

3.1 含分层复合材料孔板试样制备及检测

3.1.1 含分层复合材料孔板试件的制备

3.1.2 含分层复合材料孔板试件的分层检测

3.2 含分层复合材料孔板屈曲及分层扩展实验

3.2.1 含圆形分层复合材料孔板屈曲及分层扩展实验

3.2.2 含菱形分层复合材料孔板屈曲及分层扩展实验

3.3 无分层复合材料孔板的屈曲及分层扩展的实验

3.3.1 无分层复合材料孔板屈曲及分层扩展实验步骤

3.3.2 无分层复合材料孔板屈曲及分层扩展实验结果分析

3.4 本章总结

第4章 含分层复合材料孔板的屈曲及分层扩展数值模拟

4.1 含圆形分层复合材料孔板的屈曲及分层扩展数值模拟

4.1.1 有限元建模

4.1.2 约束方式与加载

4.1.3 含圆形分层复合材料孔板屈曲及分层扩展数值模拟结果分析

4.1.4 含圆形分层复合材料孔板的分层扩展机理分析

4.2 含菱形分层复合材料孔板的屈曲及分层扩展数值模拟

4.2.1 有限元建模

4.2.2 约束方式与加载

4.2.3 含菱形分层复合材料孔板屈曲及分层扩展数值模拟结果分析

4.2.4 含菱形分层复合材料孔板的分层扩展机理分析

4.3 误差分析

4.4 本章总结

第5章 预制分层复合材料孔板屈曲及分层扩展参数敏感性分析

5.1 不同分层尺寸对复合材料孔板屈曲及分层扩展的研究

5.2 不同分层形状对复合材料孔板屈曲及分层扩展的研究

5.2.1 含圆形分层复合材料孔板屈曲及分层扩展的研究

5.2.2 含矩形分层复合材料孔板屈曲及分层扩展的研究

5.3 预制耦合分层对复合材料孔板屈曲及分层扩展的研究

5.3.1 预制双分层位于层合板中性面两侧

5.3.2 预制双分层位于层合板中性面同侧

5.4 本章总结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间获得与学位相关的科研成果目录