【摘要】：三維編織復(fù)合材料具有良好的結(jié)構(gòu)整體性,能有效克服傳統(tǒng)層合復(fù)合材料層間強(qiáng)度低、易分層等弱點(diǎn),使其在飛行器機(jī)體結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用前景日益廣闊。三維編織復(fù)合材料整體加筋壁板作為一種新穎的輕質(zhì)高效結(jié)構(gòu)型式,研究該加筋壁板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,探尋結(jié)構(gòu)屈曲及后屈曲行為,評(píng)估結(jié)構(gòu)極限承載能力,是確保結(jié)構(gòu)安全需亟待解決的重要問(wèn)題之一。然而,由于三維編織復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)尤其復(fù)雜,顯著增加了該材料整體加筋壁板設(shè)計(jì)與分析的難度。因此,如何根據(jù)三維編織復(fù)合材料整體加筋壁板宏細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征,建立結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析力學(xué)模型,并系統(tǒng)研究材料工藝參數(shù)及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響規(guī)律,具有重要的研究?jī)r(jià)值和工程意義。本文基于三維編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)宏細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征,采用跨尺度力學(xué)建模思想,深入研究了三維四向編織復(fù)合材料壁板和整體加筋板在典型載荷工況下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。首先,在細(xì)觀尺度方面,根據(jù)四步法編織工藝,研究了不同區(qū)域紗線(xiàn)的空間運(yùn)動(dòng)規(guī)律和分布構(gòu)型,重點(diǎn)建立了材料內(nèi)胞和表胞的參數(shù)化實(shí)體單胞模型,提出了三維四向編織復(fù)合材料的雙層表面胞元模型,建立了基于內(nèi)胞和雙層表面單胞的材料彈性性能有限元力學(xué)模型,結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了材料彈性性能預(yù)測(cè)模型的有效性,并詳盡討論了編織角和纖維體積含量對(duì)材料彈性性能的影響規(guī)律。其次,在宏觀尺度方面,提出了三維四向編織復(fù)合材料“疊層胞元力學(xué)結(jié)構(gòu)模型”,建立了壁板及加筋壁板穩(wěn)定性有限元分析力學(xué)模型,研究了其在壓縮及剪切載荷工況下的屈曲特性,系統(tǒng)討論了編織角、纖維體積含量、壁板尺寸等對(duì)結(jié)構(gòu)屈曲特性的影響。最后,設(shè)計(jì)了典型三維四向編織復(fù)合材料整體加筋壁板結(jié)構(gòu),采用非線(xiàn)性有限元方法研究了其在軸壓載荷下的后屈曲行為,分析了壓載作用下結(jié)構(gòu)的平衡路徑和屈曲模態(tài),獲得了結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布特征,并詳盡討論了纖維體積含量、編織角、筋條數(shù)目等參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)后屈曲行為的影響規(guī)律。
[Abstract]:Three-dimensional braided composites have good structural integrity and can effectively overcome the weaknesses of traditional laminated composites such as low interlaminar strength and easy delamination. As a new type of lightweight and efficient structure, 3-D braided composite panels with integral reinforcement are studied for their stability, structural buckling and post-buckling behavior, and ultimate load-carrying capacity of the structures are evaluated. It is one of the important problems to be solved to ensure structural safety. However, the meso-structure of 3D braided composite is especially complex, which makes it more difficult to design and analyze the whole stiffened panel. Therefore, how to establish a mechanical model of structural stability analysis according to the macrostructure characteristics of 3-D braided composite panels, and systematically study the influence of material process parameters and structural parameters on structural stability. It has important research value and engineering significance. Based on the macro and meso-structure characteristics of 3D braided composite structures, the structural stability of 3D four-direction braided composite panels and monolithic stiffened plates under typical load conditions is studied by using the idea of cross-scale mechanical modeling. Firstly, in the aspect of meso-scale, according to the four-step braiding process, the spatial motion and distribution of yarns in different regions are studied, and the parameterized solid cell models of inner and surface cells are established. In this paper, the cell model of three dimensional four direction braided composites is presented, and the finite element mechanical model of material elastic properties based on inner cell and double layer surface unit cell is established. The validity of the prediction model is verified by the experimental data. The effects of braiding angle and fiber volume content on the elastic properties of the material are discussed in detail. Secondly, in macroscopical scale, a three-dimensional four-direction braided composite "stacking cell mechanical structure model" is proposed, and the finite element analysis mechanical model of the stability of the wall plate and stiffened panel is established. The effects of braiding angle, fiber volume content and panel size on the buckling behavior of the structure were studied. Finally, a typical three-dimensional four-direction braided composite reinforced wall structure is designed. The post-buckling behavior of the composite subjected to axial compression is studied by nonlinear finite element method, and the equilibrium path and buckling mode of the structure under ballast loading are analyzed. The characteristics of internal force distribution are obtained, and the influence of fiber volume content, braiding angle and the number of bars on the post-buckling behavior of the structure is discussed in detail.
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：V214.8;TB33

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本文編號(hào)：2406920