纖維纏繞復(fù)合材料結(jié)構(gòu)剛度預(yù)測模型與力學(xué)分析方法研究.pdf

1、現(xiàn)代高性能飛行器為了獲得高的機(jī)動性能、提高結(jié)構(gòu)的維護(hù)性和可靠性大多采用先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料以其高的比強(qiáng)度、比剛度、抗疲勞、減振、耐高溫、可設(shè)計等優(yōu)點(diǎn)而迅速在航空、航天、能源、交通、建筑、機(jī)械、生物醫(yī)學(xué)和體育運(yùn)動等部門日益得到廣泛的應(yīng)用。在復(fù)合材料的各種成型工藝中，纏繞成型制品以其纏繞規(guī)律、纏繞線型以及纏繞角可設(shè)計；纏繞制品可靠性高；生產(chǎn)效率高；成本低等優(yōu)點(diǎn)而在復(fù)合材料制品中占有重要地位。 本文簡要介紹了纖維纏繞復(fù)合

2、材料纏繞線型及其影響因素。重點(diǎn)研究了纖維纏繞復(fù)合材料的強(qiáng)度、剛度、非線性以及損傷破壞；并研究了纏繞線型對纏繞復(fù)合材料的影響。主要研究工作如下： （1）介紹了影響纖維纏繞幾何線型的纏繞參數(shù)；并對這幾個參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行了函數(shù)推導(dǎo)；給出了由不同纏繞參數(shù)計算纏繞線型的流程圖，并用ANSYS的APDL語言對其編寫成為宏文件，供本文后續(xù)章節(jié)使用。用正弦曲線模擬纖維之間的交織情況，用橢圓模擬纖維端面，推導(dǎo)了纖維纏繞復(fù)合材料的體積分?jǐn)?shù)表達(dá)式

3、。以上述研究工作為基礎(chǔ)，結(jié)合UG的GRIP語言建立了兩個典型的纏繞參數(shù)所對應(yīng)的不同RVE實(shí)體單元模型。 （2）用有限元方法，以ANSYS軟件為技術(shù)平臺，對（1）中所建立的代表性體積單元模型施加六組獨(dú)立的邊界約束條件和載荷；考慮纖維之間的交織影響，對以上兩種RVE單元實(shí)體模型進(jìn)行了等效模量的研究。并通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比，驗(yàn)證了該方法的正確性。研究過程中提出了一種“子單元”的概念，有效的降低了計算時間、提高了計算精度。彈性模量E1

4、1，E22隨纖維交疊數(shù)的增加而增加。這與已有文獻(xiàn)[1～4]預(yù)測結(jié)果相反，而與試驗(yàn)[5]結(jié)果一致。這可解釋為當(dāng)纖維束之間的交疊數(shù)增加時，纖維與纖維之間摩擦力也增加，除了纖維軸向承受與單向直纖維一樣的軸向拉伸力外，還多了一項(xiàng)軸向摩擦力，因而交疊數(shù)多的復(fù)合材料能承受更大的軸向負(fù)荷，即軸向剛度提高。彈性模量E33基本不隨纖維交疊數(shù)的變化而變化。G12基本不隨纖維交疊數(shù)變化而變化；剪切模量G23隨纖維交疊數(shù)的增加而增加，當(dāng)復(fù)合材料為纖維之間沒有交

5、疊的層合板時，其面內(nèi)剪切強(qiáng)度因纖維與基體間的界面剪切強(qiáng)度較低而較低；當(dāng)存在纖維之間的交疊時，交疊纖維會因?yàn)檠乩w維方向的力產(chǎn)生沿厚度方向的分力，復(fù)合材料以纖維拉力的形式承擔(dān)了一部分面內(nèi)剪切力，因而剪切剛度會隨纖維交疊數(shù)的提高而提高；剪切模量G13隨纖維交疊數(shù)的增加先增加后減小。泊松比u12隨纖維交疊數(shù)的增加而增加；泊松比u23，u13隨纖維交疊數(shù)的增加而減小。 （3）將（2）中所得到的正交各向異性彈性常數(shù)應(yīng)用到纖維纏繞復(fù)合材料殼

6、體上，對纖維纏繞復(fù)合材料殼體的受力過程在彈性階段范圍內(nèi)進(jìn)行了研究。給出了應(yīng)力沿半徑的分布情況。 （4）給出了考慮幾何非線性的完全Lagrangian網(wǎng)格的控制方程和虛功原理；結(jié)合ANSYS的非線性求解器，首先對鋁筒進(jìn)行了幾何非線性分析；編制了通用的APDL程序；并與各向同性材料的理論解進(jìn)行了對比，驗(yàn)證了程序的正確性。將纖維纏繞復(fù)合材料殼體的正交各向異性彈性常數(shù)代入到計算鋁筒的APDL程序中，對纖維纏繞復(fù)合材料殼體進(jìn)行了幾何非線

7、性研究。并與（3）中的線性求解結(jié)果進(jìn)行了對比。 （5）針對纖維纏繞復(fù)合材料殼體在纏繞成型過程中所產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力，對其進(jìn)行預(yù)應(yīng)力研究。給出了各應(yīng)力分量沿半徑的變化規(guī)律：考慮預(yù)應(yīng)力時復(fù)合材料殼體環(huán)向應(yīng)力比不考慮預(yù)應(yīng)力時，沿半徑方向先減小后増大；考慮預(yù)應(yīng)力時復(fù)合材料殼體徑向應(yīng)力沿半徑方向比不考慮預(yù)應(yīng)力時大；考慮預(yù)應(yīng)力時復(fù)合材料殼體徑向位移沿半徑方向比不考慮預(yù)應(yīng)力時小。 （6）采用三維模型的Hashin失效判據(jù)，并結(jié)合三維模型