本文關(guān)鍵詞：軸心受壓CFRP管穩(wěn)定性研究

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【摘要】：如何在保證強(qiáng)度與剛度滿足需求的前提下減輕飛行器重量是科研人員一直關(guān)注的問題。相比于傳統(tǒng)金屬材料,采用輕質(zhì)高強(qiáng)的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,簡稱CFRP),不僅可以滿足結(jié)構(gòu)的剛度及強(qiáng)度需求,又可以大幅度地減輕結(jié)構(gòu)重量。然而不同于傳統(tǒng)金屬材料,CFRP材料力學(xué)性能的研究仍有待完善,特別是纏繞型CFRP管的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論幾乎處于空白。為此,本文進(jìn)行了纏繞型CFRP管軸壓試驗(yàn),從細(xì)觀角度出發(fā),通過有限元分析并結(jié)合細(xì)觀力學(xué)理論,得到了纖維纏繞型復(fù)合材料細(xì)長管的穩(wěn)定公式。與試驗(yàn)結(jié)果對比,該公式對于纏繞型CFRP管的軸壓穩(wěn)定性設(shè)計(jì)具有普遍的指導(dǎo)意義。論文主要工作如下:1.對三種不同纏繞角度和長細(xì)比下的CFRP圓管進(jìn)行了軸壓試驗(yàn),著重觀察了樹脂基碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的剛度、極限強(qiáng)度、以及宏觀、細(xì)觀破壞模式,為細(xì)觀損傷模型的建立提供指導(dǎo)。2.本文詳盡且細(xì)致的剖析了國內(nèi)外復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀,對纏繞型復(fù)合材料的制作方法,組分結(jié)構(gòu),力學(xué)模型和試驗(yàn)研究理論進(jìn)行展開,同時詳盡介紹了當(dāng)前復(fù)合材料非線性力學(xué)性能的不同損傷模型,給出了針對纏繞型CFRP管力學(xué)性能研究的基本流程:為了體現(xiàn)復(fù)合材料拉壓雙模量等特征,從細(xì)觀層面進(jìn)行分析,結(jié)合Chamis C.C模型,得到單根纖維束的剛度及強(qiáng)度特性,將細(xì)觀力學(xué)性能分析結(jié)果引入到宏觀層面進(jìn)行ANSYS有限元本構(gòu)用戶子程序(UMAT)開發(fā),進(jìn)而對構(gòu)件進(jìn)行有限元建模,通過引入U(xiǎn)MAT子程序,得到CFRP管的線彈性受力性能。3.當(dāng)纖維纏繞角度在一定范圍內(nèi)且CFRP管長細(xì)比較小時,纖維和基體的損傷起始時刻對應(yīng)的構(gòu)件外荷載要小于構(gòu)件所能承受的極限荷載,此類構(gòu)件受壓時隨著荷載的增大會產(chǎn)生非彈性屈曲。因此進(jìn)行了復(fù)合材料累積損傷破壞過程的模擬�；贖ashin初始損傷準(zhǔn)則,建立了細(xì)觀損傷模型,分別考慮了纖維和基體不同的細(xì)觀破壞模式:纖維拉伸斷裂;纖維壓縮屈曲;基體拉伸剪切;基體壓縮剪切。采用損傷力學(xué)理論,對損傷規(guī)律進(jìn)行了規(guī)劃。通過將細(xì)長管和短管模擬結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析,得到了適用性較強(qiáng)的損傷系數(shù)閥值和纖維束各方向斷裂能,從而實(shí)現(xiàn)了纏繞型CFRP管在不同長細(xì)比下的累積損傷分析,并得到了所對應(yīng)的極限荷載值。4.由于纏繞型CFRP管的工藝參數(shù)較多,而每種參數(shù)又對構(gòu)件的力學(xué)性能有較大的影響。為了得到較為可靠的CFRP細(xì)長管穩(wěn)定承載力計(jì)算公式,比較了各種工藝參數(shù)(纖維纏繞角度,纖維體積含量,鋪層厚度,構(gòu)件長細(xì)比等)對構(gòu)件極限承載力的影響,結(jié)合層合板理論,提出了可以體現(xiàn)多種工藝參數(shù)并具有普遍適用性的纏繞型CFRP細(xì)長管穩(wěn)定計(jì)算公式。
【關(guān)鍵詞】：軸心受壓 CFRP管 有限元 損傷 穩(wěn)定性
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：V214.8
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章緒論10-22
• 1.1 課題背景及研究目的和意義10-11
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11-20
• 1.2.1 纖維纏繞工藝11-13
• 1.2.2 纏繞型碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能研究13-18
• 1.2.3 纏繞型碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料試驗(yàn)研究18-19
• 1.2.4 纏繞型CFRP管力學(xué)性能研究19-20
• 1.3 本文的主要研究內(nèi)容20-22
• 第2章纏繞型CFRP管軸壓穩(wěn)定性試驗(yàn)研究22-31
• 2.1 引言22
• 2.2 纏繞型CFRP管軸壓試驗(yàn)22-30
• 2.2.1 試件設(shè)計(jì)22-24
• 2.2.2 加載方式及測量系統(tǒng)24-26
• 2.2.3 試驗(yàn)現(xiàn)象及結(jié)果26-30
• 2.3 本章小結(jié)30-31
• 第3章 CFRP管受壓性能數(shù)值分析方法31-49
• 3.1 引言31
• 3.2 細(xì)觀剛度預(yù)測方法31-38
• 3.2.1 橫觀各向同性材料的剛度預(yù)報(bào)31-33
• 3.2.2 整體坐標(biāo)系與材料主軸標(biāo)系的參數(shù)變換33-35
• 3.2.3 纏繞復(fù)合材料單層板材料工程常數(shù)預(yù)報(bào)35-38
• 3.3 橫觀各向同性材料本構(gòu)子程序二次開發(fā)38-40
• 3.3.1 Usermat子程序編譯技術(shù)38-39
• 3.3.2 橫觀各向同性材料本構(gòu)子程序準(zhǔn)確性驗(yàn)證39-40
• 3.4 橫觀各向同性材料損傷失效過程模擬40-45
• 3.4.1 初始損傷判據(jù)41-42
• 3.4.2 損傷演化規(guī)律42-43
• 3.4.3 損傷失效模型43-45
• 3.5 有限元計(jì)算模型45-47
• 3.5.1 單元類型與邊界條件45-46
• 3.5.2 計(jì)算方法選取與施加初始缺陷46-47
• 3.6 本章小結(jié)47-49
• 第4章纏繞型CFRP管軸心受壓穩(wěn)定承載力計(jì)算公式49-59
• 4.1 引言49
• 4.2 有限元模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比49-55
• 4.2.1 細(xì)長管損傷系數(shù)閥值確定49-50
• 4.2.2 斷裂能對損傷累積的影響50-52
• 4.2.3 有限元模擬全過程分析52-55
• 4.3 纏繞型CFRP管穩(wěn)定性設(shè)計(jì)公式55-57
• 4.4 本章小結(jié)57-59
• 結(jié)論59-61
• 參考文獻(xiàn)61-66
• 致謝66

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前3條

1 付春艷;高行山;王佩艷;王富生;岳珠峰;;基于細(xì)觀力學(xué)的纏繞復(fù)合材料彈性模量的預(yù)測分析[J];材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào);2010年01期

2 李志敏;沈惠申;;三維編織復(fù)合材料圓柱殼在外壓作用下的屈曲分析[J];固體力學(xué)學(xué)報(bào);2008年01期

3 朱亮;肖毅;;拉壓性能不同纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的非線性本構(gòu)模型[J];復(fù)合材料學(xué)報(bào);2013年03期

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本文編號：641759