轴心受压CFRP管稳定性研究

发布时间：2017-08-08 20:03

  本文关键词：轴心受压CFRP管稳定性研究

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【摘要】：如何在保证强度与刚度满足需求的前提下减轻飞行器重量是科研人员一直关注的问题。相比于传统金属材料,采用轻质高强的碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,简称CFRP),不仅可以满足结构的刚度及强度需求,又可以大幅度地减轻结构重量。然而不同于传统金属材料,CFRP材料力学性能的研究仍有待完善,特别是缠绕型CFRP管的结构稳定理论几乎处于空白。为此,本文进行了缠绕型CFRP管轴压试验,从细观角度出发,通过有限元分析并结合细观力学理论,得到了纤维缠绕型复合材料细长管的稳定公式。与试验结果对比,该公式对于缠绕型CFRP管的轴压稳定性设计具有普遍的指导意义。论文主要工作如下:1.对三种不同缠绕角度和长细比下的CFRP圆管进行了轴压试验,着重观察了树脂基碳纤维增强复合材料的刚度、极限强度、以及宏观、细观破坏模式,为细观损伤模型的建立提供指导。2.本文详尽且细致的剖析了国内外复合材料的研究现状,对缠绕型复合材料的制作方法,组分结构,力学模型和试验研究理论进行展开,同时详尽介绍了当前复合材料非线性力学性能的不同损伤模型,给出了针对缠绕型CFRP管力学性能研究的基本流程:为了体现复合材料拉压双模量等特征,从细观层面进行分析,结合Chamis C.C模型,得到单根纤维束的刚度及强度特性,将细观力学性能分析结果引入到宏观层面进行ANSYS有限元本构用户子程序(UMAT)开发,进而对构件进行有限元建模,通过引入UMAT子程序,得到CFRP管的线弹性受力性能。3.当纤维缠绕角度在一定范围内且CFRP管长细比较小时,纤维和基体的损伤起始时刻对应的构件外荷载要小于构件所能承受的极限荷载,此类构件受压时随着荷载的增大会产生非弹性屈曲。因此进行了复合材料累积损伤破坏过程的模拟。基于Hashin初始损伤准则,建立了细观损伤模型,分别考虑了纤维和基体不同的细观破坏模式:纤维拉伸断裂;纤维压缩屈曲;基体拉伸剪切;基体压缩剪切。采用损伤力学理论,对损伤规律进行了规划。通过将细长管和短管模拟结果和试验数据进行比较分析,得到了适用性较强的损伤系数阀值和纤维束各方向断裂能,从而实现了缠绕型CFRP管在不同长细比下的累积损伤分析,并得到了所对应的极限荷载值。4.由于缠绕型CFRP管的工艺参数较多,而每种参数又对构件的力学性能有较大的影响。为了得到较为可靠的CFRP细长管稳定承载力计算公式,比较了各种工艺参数(纤维缠绕角度,纤维体积含量,铺层厚度,构件长细比等)对构件极限承载力的影响,结合层合板理论,提出了可以体现多种工艺参数并具有普遍适用性的缠绕型CFRP细长管稳定计算公式。
【关键词】：轴心受压 CFRP管 有限元 损伤 稳定性
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V214.8
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章绪论10-22
• 1.1 课题背景及研究目的和意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-20
• 1.2.1 纤维缠绕工艺11-13
• 1.2.2 缠绕型碳纤维增强复合材料力学性能研究13-18
• 1.2.3 缠绕型碳纤维增强复合材料试验研究18-19
• 1.2.4 缠绕型CFRP管力学性能研究19-20
• 1.3 本文的主要研究内容20-22
• 第2章缠绕型CFRP管轴压稳定性试验研究22-31
• 2.1 引言22
• 2.2 缠绕型CFRP管轴压试验22-30
• 2.2.1 试件设计22-24
• 2.2.2 加载方式及测量系统24-26
• 2.2.3 试验现象及结果26-30
• 2.3 本章小结30-31
• 第3章 CFRP管受压性能数值分析方法31-49
• 3.1 引言31
• 3.2 细观刚度预测方法31-38
• 3.2.1 横观各向同性材料的刚度预报31-33
• 3.2.2 整体坐标系与材料主轴标系的参数变换33-35
• 3.2.3 缠绕复合材料单层板材料工程常数预报35-38
• 3.3 横观各向同性材料本构子程序二次开发38-40
• 3.3.1 Usermat子程序编译技术38-39
• 3.3.2 横观各向同性材料本构子程序准确性验证39-40
• 3.4 横观各向同性材料损伤失效过程模拟40-45
• 3.4.1 初始损伤判据41-42
• 3.4.2 损伤演化规律42-43
• 3.4.3 损伤失效模型43-45
• 3.5 有限元计算模型45-47
• 3.5.1 单元类型与边界条件45-46
• 3.5.2 计算方法选取与施加初始缺陷46-47
• 3.6 本章小结47-49
• 第4章缠绕型CFRP管轴心受压稳定承载力计算公式49-59
• 4.1 引言49
• 4.2 有限元模型计算结果与试验结果的对比49-55
• 4.2.1 细长管损伤系数阀值确定49-50
• 4.2.2 断裂能对损伤累积的影响50-52
• 4.2.3 有限元模拟全过程分析52-55
• 4.3 缠绕型CFRP管稳定性设计公式55-57
• 4.4 本章小结57-59
• 结论59-61
• 参考文献61-66
• 致谢66

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 付春艳;高行山;王佩艳;王富生;岳珠峰;;基于细观力学的缠绕复合材料弹性模量的预测分析[J];材料科学与工程学报;2010年01期

2 李志敏;沈惠申;;三维编织复合材料圆柱壳在外压作用下的屈曲分析[J];固体力学学报;2008年01期

3 朱亮;肖毅;;拉压性能不同纤维增强复合材料的非线性本构模型[J];复合材料学报;2013年03期

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本文编号：641759