抗高沖擊載荷CFRP層合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究

發(fā)布時(shí)間：2017-08-29 17:07

本文關(guān)鍵詞：抗高沖擊載荷CFRP層合結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究

【摘要】：碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)具有重量輕、比模量高、比強(qiáng)度高及耐腐蝕性等優(yōu)異性能,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天、武器系統(tǒng)等國(guó)防領(lǐng)域。CFRP材料在沖擊載荷下力學(xué)響應(yīng)的相關(guān)研究工作是該領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。由于問題的復(fù)雜性及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的高度離散,直到目前還缺少較完善的理論來(lái)描述其在動(dòng)態(tài)加載條件下的力學(xué)行為,且復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)在高沖擊載荷下的損傷破壞試驗(yàn)數(shù)據(jù)也較為缺乏。本文結(jié)合理論研究、準(zhǔn)靜態(tài)壓縮和彎曲試驗(yàn)及動(dòng)態(tài)沖擊壓縮試驗(yàn),研究了典型層合CFRP材料的力學(xué)行為,論文工作和主要結(jié)論為:(1)基于橋聯(lián)模型,采用含應(yīng)變率效應(yīng)的復(fù)合材料動(dòng)態(tài)本構(gòu)方程以及屈服準(zhǔn)則,對(duì)靜態(tài)本構(gòu)方程及屈服準(zhǔn)則進(jìn)行修正。對(duì)改進(jìn)后的模型進(jìn)行驗(yàn)證與確認(rèn),修改后的模型能夠被用于動(dòng)態(tài)強(qiáng)度理論計(jì)算中。(2)利用橋聯(lián)模型和準(zhǔn)靜態(tài)試驗(yàn)對(duì)不同鋪層角度CFRP層合板強(qiáng)度進(jìn)行研究,分析了不同鋪層角度對(duì)層合板強(qiáng)度的影響規(guī)律。通過(guò)基于數(shù)字圖像相關(guān)法(DIC方法)的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn),研究CFRP層合結(jié)構(gòu)準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)性能。試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線與橋聯(lián)模型理論計(jì)算結(jié)果相對(duì)一致,而DIC方法所獲取的剪應(yīng)變場(chǎng)能夠反映出復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)所特有的分層破壞特征。(3)對(duì)比分析了幾種抗高沖擊載荷CFRP層合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,優(yōu)選得到一種滿足使用要求的鋪層結(jié)構(gòu),并制備層合板,實(shí)施中等應(yīng)變率的壓縮試驗(yàn),前期理論計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有較好一致性。由于試驗(yàn)結(jié)果無(wú)法獲得除表面面內(nèi)應(yīng)變、破壞終態(tài)等之外更多的細(xì)節(jié),運(yùn)用改進(jìn)橋聯(lián)模型計(jì)算程序討論了層合結(jié)構(gòu)的漸進(jìn)破壞現(xiàn)象,分析了與復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中纖維斷裂及基體破壞相對(duì)應(yīng)的力學(xué)特征量。(4)采用DIC方法對(duì)CFRP材料準(zhǔn)靜態(tài)彎曲力學(xué)性能進(jìn)行研究,DIC方法所獲取的變形場(chǎng)能夠真實(shí)有效地反映CFRP材料的變形情況,能夠用于對(duì)CFRP材料不同破壞模式的研究中。
【關(guān)鍵詞】：CFRP 應(yīng)變率效應(yīng) 橋聯(lián)模型 數(shù)字圖像相關(guān)方法 動(dòng)態(tài)力學(xué)性能
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TB33;TB301
【目錄】：

摘要5-6
abstract6-11
第一章緒論11-25
1.1 研究背景及意義11-12
1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-23
1.2.1 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能研究進(jìn)展12-14
1.2.2 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料動(dòng)態(tài)強(qiáng)度理論研究進(jìn)展14-16
1.2.3 復(fù)合材料層合板受低速?zèng)_擊壓縮作用試驗(yàn)研究16-18
1.2.4 基于數(shù)字圖像相關(guān)方法的復(fù)合材料力學(xué)性能測(cè)試研究進(jìn)展18-23
1.3 立題依據(jù)及研究目的和內(nèi)容23-25
第二章基于橋聯(lián)模型的層合結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)及應(yīng)變率相關(guān)改進(jìn)25-35
2.1 引言25-26
2.2 橋聯(lián)模型26-29
2.2.1 橋聯(lián)模型介紹26-27
2.2.2 基于橋聯(lián)模型的層合板強(qiáng)度計(jì)算27-28
2.2.3 橋聯(lián)模型的驗(yàn)證與確認(rèn)（V&V）28-29
2.3 應(yīng)變率相關(guān)改進(jìn)29-34
2.3.1 CFRP材料應(yīng)變率相關(guān)動(dòng)態(tài)本構(gòu)關(guān)系修正29-31
2.3.2 CFRP材料應(yīng)變率相關(guān)動(dòng)態(tài)失效判據(jù)修正31-32
2.3.3 動(dòng)態(tài)強(qiáng)度理論的驗(yàn)證與確認(rèn)（V&V）32-34
2.4 本章小結(jié)34-35
第三章基于DIC方法的CFRP材料準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)性能研究35-49
3.1 引言35
3.2 材料主方向定義及試件制備35-37
3.3 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)37-39
3.4 纖維鋪層角度不同對(duì)CFRP材料準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)性能的影響分析39-42
3.4.1 層合板力學(xué)設(shè)計(jì)39
3.4.2 纖維鋪層角度對(duì)CFRP材料準(zhǔn)靜態(tài)壓縮力學(xué)性能的影響39-42
3.5 基于DIC方法的抗壓載層合板準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)研究42-48
3.5.1 鋪層方式設(shè)計(jì)及試件準(zhǔn)備42-43
3.5.2 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線與理論計(jì)算應(yīng)力應(yīng)變曲線對(duì)比43-44
3.5.3 基于DIC方法的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮CFRP層合結(jié)構(gòu)破壞模式分析44-48
3.6 本章小結(jié)48-49
第四章 CFRP材料動(dòng)態(tài)壓縮力學(xué)性能研究49-63
4.1 引言49
4.2 基于改進(jìn)后的橋聯(lián)模型的抗高沖擊載荷CFRP層合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)49-52
4.3 CFRP材料動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)研究52-57
4.3.1 動(dòng)態(tài)壓縮試件52
4.3.2 實(shí)驗(yàn)裝置52-55
4.3.3 實(shí)驗(yàn)原理55-57
4.3.4 加載應(yīng)變率的確定57
4.4 動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)結(jié)果分析57-61
4.4.1 動(dòng)態(tài)壓縮試驗(yàn)應(yīng)力應(yīng)變曲線與理論計(jì)算應(yīng)力應(yīng)變曲線對(duì)比57-60
4.4.2 基于改進(jìn)后的橋聯(lián)模型的CFRP層合結(jié)構(gòu)漸進(jìn)破壞現(xiàn)象分析60-61
4.5 本章小結(jié)61-63
第五章基于DIC方法的CFRP材料彎曲力學(xué)性能研究63-75
5.1 引言63
5.2 材料試件制備63-64
5.3 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究64-66
5.4 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)結(jié)果分析66-73
5.4.1 三點(diǎn)彎曲應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果分析66-67
5.4.2 基于DIC方法的三點(diǎn)彎曲破壞模式分析67-73
5.5 本章小結(jié)73-75
結(jié)論75-79
參考文獻(xiàn)79-85
攻讀學(xué)位論文期間發(fā)表論文與研究成果清單85-87
致謝87