發(fā)布時(shí)間：2017-04-21 07:00

  本文關(guān)鍵詞：基于內(nèi)聚力理論的復(fù)合材料分層失效機(jī)理研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：碳纖維復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比模量高、可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。然而,復(fù)合材料失效機(jī)理復(fù)雜,尤其是分層失效,嚴(yán)重降低復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和完整性,對(duì)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用提出了較大挑戰(zhàn)。目前,基于彈塑性斷裂力學(xué)發(fā)展起來的內(nèi)聚力理論由于可以同時(shí)預(yù)測裂紋萌生和擴(kuò)展,已廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料分層失效機(jī)理研究。當(dāng)前國內(nèi)外發(fā)展了諸多內(nèi)聚力模型,然而目前仍然不清楚不同載荷下的真實(shí)復(fù)合材料分層界面應(yīng)受支配于哪種內(nèi)聚力模型,同時(shí)由于內(nèi)聚模型的軟化問題,不同內(nèi)聚力形狀和內(nèi)聚力強(qiáng)度對(duì)隱式有限元分析的數(shù)值準(zhǔn)確性、強(qiáng)健性和計(jì)算效率的影響規(guī)律尚未完全闡明。本文基于內(nèi)聚力理論、運(yùn)用有限元分析發(fā)展了零厚度內(nèi)聚力數(shù)值計(jì)算技術(shù),實(shí)現(xiàn)了三角形內(nèi)聚力模型和一種改進(jìn)的Xu和Needleman冪指數(shù)內(nèi)聚力模型,研究了碳纖維復(fù)合材料在壓縮和彎曲載荷作用下的分層失效機(jī)理,以及有限元分析存在的收斂性、網(wǎng)格敏感性等數(shù)值問題。主要研究工作如下：首先,運(yùn)用ABAQUS-UEL用戶單元子程序模塊發(fā)展了二維和三維內(nèi)聚力數(shù)值程序,應(yīng)用于分層失效研究中,闡明了內(nèi)聚力形狀、內(nèi)聚力強(qiáng)度、網(wǎng)格尺寸對(duì)數(shù)值收斂性和網(wǎng)格敏感性的影響規(guī)律,同時(shí)證明了零厚度界面單元呈現(xiàn)出最優(yōu)數(shù)值強(qiáng)健性；其次,基于發(fā)展的內(nèi)聚力數(shù)值技術(shù),開展了壓縮和彎曲載荷作用下復(fù)合材料分層失效數(shù)值研究,和分層試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較,探討了結(jié)構(gòu)尺寸、鋪層角度等對(duì)單一、復(fù)合裂紋分層失效機(jī)理和載荷響應(yīng)的影響規(guī)律,其由單一斷裂模式下的斷裂韌性和Ⅰ/Ⅱ混合斷裂模式下的模式比決定的,體現(xiàn)了該數(shù)值技術(shù)在研究分層失效機(jī)理時(shí)的普適性；最后,由于三點(diǎn)彎曲載荷下的復(fù)合材料模式11分層失效問題伴隨著復(fù)雜的摩擦接觸,結(jié)合內(nèi)聚力理論和Mohr-Coulomb摩擦接觸律,原創(chuàng)性地提出了一個(gè)內(nèi)聚力／摩擦接觸耦合模型,發(fā)展了有限元數(shù)值計(jì)算程序,通過與解析解比較,準(zhǔn)確預(yù)測了摩擦系數(shù)、內(nèi)聚力強(qiáng)度、鋪層角度等對(duì)摩擦分層和載荷響應(yīng)的影響規(guī)律。本文主要有三個(gè)方面的創(chuàng)新：第一,發(fā)展了三維指數(shù)內(nèi)聚力數(shù)值計(jì)算技術(shù),較好解決了基于內(nèi)聚力模型的有限元分析時(shí)的網(wǎng)格敏感性、數(shù)值收斂性以及虛擬位移跳等數(shù)值問題；第二,將該技術(shù)應(yīng)用于壓縮、彎曲等載荷作用下的分層的失效分析中,準(zhǔn)確預(yù)測了相應(yīng)載荷作用下的分層失效機(jī)理；第三,原創(chuàng)性地提出了一個(gè)指數(shù)內(nèi)聚力／摩擦接觸耦合模型并應(yīng)用于摩擦分層失效研究中。本研究結(jié)果為合理選擇內(nèi)聚力模型參數(shù)、準(zhǔn)確和高效地預(yù)測復(fù)合材料分層失效機(jī)理以及結(jié)構(gòu)性能退化機(jī)理提供理論和技術(shù)支撐。研究結(jié)果將有望進(jìn)一步運(yùn)用于航空航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)以及復(fù)合材料氣瓶、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、汽車、船舶等結(jié)構(gòu)中,預(yù)測這些結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中的分層失效機(jī)理。
【關(guān)鍵詞】：碳纖維復(fù)合材料 分層失效 內(nèi)聚力理論 有限元分析
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TB33;TQ342.742
【目錄】：

• 致謝5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-15
• 第一章 緒論15-31
• 1.1 研究背景15-16
• 1.2 內(nèi)聚力理論模型16-25
• 1.2.1 雙線性內(nèi)聚力模型17-19
• 1.2.2 梯形內(nèi)聚力模型19
• 1.2.3 指數(shù)內(nèi)聚力模型19-25
• 1.3 研究現(xiàn)狀及存在的問題25-29
• 1.4 本文研究內(nèi)容29-31
• 第二章 內(nèi)聚力模型的有限元格式及數(shù)值實(shí)現(xiàn)31-39
• 2.1 含界面不連續(xù)的應(yīng)力邊值問題31-32
• 2.2 內(nèi)聚力模型的有限元格式32-34
• 2.3 內(nèi)聚力模型的數(shù)值程序34-38
• 2.4 本章小結(jié)38-39
• 第三章 壓縮和彎曲載荷作用下復(fù)合材料分層失效研究39-61
• 3.1 壓縮載荷作用下的分層失效研究39-53
• 3.1.1 幾何模型與材料參數(shù)39-41
• 3.1.2 有限元模型41-42
• 3.1.3 數(shù)值結(jié)果及討論42-52
• 3.1.4 小結(jié)52-53
• 3.2 彎曲載荷作用下的分層失效研究53-61
• 3.2.1 幾何模型與材料參數(shù)53-54
• 3.2.2 單腿三點(diǎn)彎曲分層試驗(yàn)54-56
• 3.2.3 單腿三點(diǎn)彎曲數(shù)值分析56-60
• 3.2.4 小結(jié)60-61
• 第四章 模式Ⅱ剪切分層內(nèi)聚力/摩擦接觸耦合模型和有限元分析61-81
• 4.1 理論模型61-64
• 4.2 理論模型的有限元實(shí)現(xiàn)64-66
• 4.2.1 含界面不連續(xù)和摩擦接觸的應(yīng)力邊值問題64-65
• 4.2.2 內(nèi)聚力/摩擦接觸耦合模型的有限元算法65-66
• 4.3 摩擦剪切分層試樣數(shù)值分析66-67
• 4.4 數(shù)值結(jié)果及討論67-80
• 4.5 本章小結(jié)80-81
• 第五章 總結(jié)與展望81-85
• 5.1 總結(jié)81-83
• 5.2 展望83-85
• 參考文獻(xiàn)85-91
• 附錄A 基于ABAQUS-UEL的內(nèi)聚力數(shù)值計(jì)算子程序91-93
• 附錄B 實(shí)現(xiàn)內(nèi)聚力/摩擦接觸模型的有限元算法93-95
• 附錄C 模式Ⅱ剪切分層斷裂韌性的解析解95-97
• 作者簡介97

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  本文關(guān)鍵詞：基于內(nèi)聚力理論的復(fù)合材料分層失效機(jī)理研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：319769