本文關(guān)鍵詞：雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的粘彈性行為研究

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【摘要】：雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)是一種具有兩種穩(wěn)定狀態(tài),且兩種穩(wěn)定狀態(tài)具有不同幾何構(gòu)型的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。每種穩(wěn)定狀態(tài)都具有一定承受載荷的能力,在適當?shù)耐廨d荷作用下兩個穩(wěn)態(tài)之間可以發(fā)生轉(zhuǎn)變,并且不需要持續(xù)的外載荷來維持其穩(wěn)定狀態(tài)。基于以上這些特性,雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)在追求輕量化和多功能化的航空航天方面有著廣泛的發(fā)展前景。然而,在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用意味著會遭遇各種各樣的極端工作環(huán)境,包括高溫、低溫、長時間受載等情況,這都會對雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的性能產(chǎn)生很大的影響。目前,對于雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)受環(huán)境影響的研究一般都是基于彈性模型,即只考慮材料的彈性行為而忽略粘彈性特征。而作為雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的主要材料的碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料是一種典型的粘彈性材料,其力學(xué)性能對溫度與加載時間的變化比較敏感。因此,本文采用理論推導(dǎo)、實驗測試和有限元模擬等方法,建立雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的粘彈性模型,研究了溫度與加載時間對結(jié)構(gòu)雙穩(wěn)態(tài)特性的影響。主要研究工作包括:1.利用動態(tài)力學(xué)分析儀(DMA)來測量環(huán)氧樹脂基體的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)換溫度、線性粘彈性區(qū)和松弛模量。根據(jù)時溫等效原理將不同溫度下短期的松弛模量曲線等效到同一個參考溫度下,得到長期的松弛模量曲線。根據(jù)基體的粘彈性材料屬性和碳纖維的彈性材料屬性,利用均勻化原理和有限元模擬,建立碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料的單晶胞模型,從而計算得到碳纖維復(fù)合材料的粘彈性材料屬性。2.結(jié)合線性粘彈性理論與經(jīng)典層合板理論(CLT),利用最小勢能原理推導(dǎo)出在環(huán)境溫度與加載時間共同作用下的雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的粘彈性理論模型。根據(jù)碳纖維復(fù)合材料的粘彈性材料屬性通過理論計算,預(yù)測了加載時間和溫度對雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)第二穩(wěn)態(tài)曲率的影響規(guī)律。3.利用帶溫度箱的拉伸試驗機等實驗儀器對雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)在不同溫度、不同松弛位置和加載時間下的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變過程進行實驗,得到Snap-through過程的載荷—位移曲線以及結(jié)構(gòu)在第二穩(wěn)態(tài)的兩個曲率變化規(guī)律。同時通過對試件的掃描式電子顯微鏡(SEM)圖像的觀察,從微觀層面來解釋結(jié)構(gòu)雙穩(wěn)態(tài)特性的變化。4.利用ABAQUS有限元軟件及其子程序UMAT,根據(jù)雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變實驗過程,建立雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的粘彈性有限元模型,并對其在不同溫度與加載時間下的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變過程進行了有限元模擬,得到Snap-through過程的載荷—位移曲線以及第二穩(wěn)態(tài)的曲率隨溫度和加載時間的變化規(guī)律。
【關(guān)鍵詞】：碳纖維復(fù)合材料 粘彈性 雙穩(wěn)態(tài) 有限元法 DMA
【學(xué)位授予單位】：浙江工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TB33
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第1章 緒論11-23
• 1.1 引言11-13
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-19
• 1.2.1 纖維增強樹脂基復(fù)合材料粘彈性的研究13-15
• 1.2.2 雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的研究15-19
• 1.3 課題的提出及主要研究內(nèi)容19-20
• 1.4 論文安排及組織結(jié)構(gòu)20-23
• 第2章 碳纖維復(fù)合材料粘彈性材料屬性23-35
• 2.1 粘彈性基礎(chǔ)理論23-25
• 2.2 DMA試驗25-29
• 2.2.1 玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度Tg的測量25-27
• 2.2.2 線性粘彈性區(qū)域（LVR）的測量27-28
• 2.2.3 應(yīng)力松弛試驗28-29
• 2.3 晶胞模型的有限元分析29-33
• 2.3.1 計算C_(11)(t)和C_(12)(t)30-31
• 2.3.2 計算C_(22)(t)和C_(23)(t)31
• 2.3.3 計算C_(44)(t)31-32
• 2.3.4 計算C_(55)(t)32-33
• 2.3.5 松弛模量的計算33
• 2.4 本章小結(jié)33-35
• 第3章 雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的粘彈性理論研究35-47
• 3.1 理論基礎(chǔ)35-40
• 3.1.1 玻爾茲曼疊加原理35
• 3.1.2 粘彈性模型下的經(jīng)典層合板理論35-39
• 3.1.3 考慮溫度因素的層合板剛度關(guān)系39-40
• 3.2 雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的粘彈性理論模型40-42
• 3.3 雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的粘彈性理論分析42-45
• 3.3.1 加載時間對雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的影響43
• 3.3.2 溫度對雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的影響43-45
• 3.4 本章小結(jié)45-47
• 第4章 雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的粘彈性實驗研究47-57
• 4.1 實驗準備47-49
• 4.1.1 實驗試件的制備47-48
• 4.1.2 實驗裝置的選擇48
• 4.1.3 實驗結(jié)果的測量48-49
• 4.2 松弛位置對雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的影響49-52
• 4.3 加載時間對雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的影響52-53
• 4.4 溫度對雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的影響53-54
• 4.5 SEM實驗54-56
• 4.6 本章小結(jié)56-57
• 第5章 雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)粘彈性模型的有限元研究57-67
• 5.1 雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的ABAQUS有限元模型57-58
• 5.2 加載時間對雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的影響58-59
• 5.3 溫度對雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的影響59-60
• 5.4 理論、實驗和模擬的對比60-64
• 5.4.1 加載時間對雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的影響的對比60-62
• 5.4.2 溫度對雙穩(wěn)態(tài)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的影響的對比62-64
• 5.5 本章小結(jié)64-67
• 第6章 結(jié)論與展望67-69
• 6.1 結(jié)論67-68
• 6.2 創(chuàng)新點68
• 6.3 展望68-69
• 附錄69-73
• 參考文獻73-79
• 致謝79-81
• 攻讀學(xué)位期間參加的科研項目和成果81

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