復(fù)合材料機械連接濕熱效應(yīng)及預(yù)緊力衰減規(guī)律研究.pdf

1、 國內(nèi)圖書分類號：TB301 學校代碼：10213 國際圖書分類號：621 密級：公開 工學 工學博士學位 博士學位論文 論文 復(fù)合材料機械連接濕熱效應(yīng)及預(yù)緊力衰減規(guī)律研究 博 士 研 究 生 ： 王景澤 導(dǎo) 師 ： 馬 力 教授 副 導(dǎo) 師 ： 戴福洪 教授 申 請 學

2、位 ： 工學博士 學 科 ： 工程力學 所 在 單 位 ： 復(fù)合材料與結(jié)構(gòu)研究所 答 辯 日 期 ： 2017 年 6 月 授予學位單位 ： 哈爾濱工業(yè)大學 摘 要 摘 要 復(fù)合材料具有強度高、可設(shè)計性好、耐腐蝕、降低維護成本等優(yōu)良特性，在航空、航天以及軍事領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于在工程應(yīng)用中受到技術(shù)水平的限制或者結(jié)構(gòu)設(shè)計的需要，例如拆裝方便和維護方便，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計中必須安排一定數(shù)量的連接。復(fù)合材料連

3、接在長期貯存件下，受殘余應(yīng)力、吸濕以及預(yù)緊力衰減等因素影響，其力學性能不斷下退化。連接往往是結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，因此，建立和發(fā)展?jié)駸岘h(huán)境下復(fù)合材料連接性能的預(yù)報和分析方法，研究其性能演變規(guī)律，對提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計水平和安全評價具有重要意義。 本文以典型的 T300/AG80 復(fù)合材料機械連接為研究對象，研究了復(fù)合材料熱殘余應(yīng)力預(yù)報方法， 應(yīng)力-吸濕耦合模型， 以及基于粘彈性理論的復(fù)合材料連接預(yù)緊力衰減預(yù)報模型，分析了溫度、濕度和預(yù)緊力衰減

4、等因素對復(fù)合材料連接性能的影響。具體工作如下： 建立了考慮了泊松效應(yīng)的復(fù)合材料單胞模型，計算了單胞的纖維和基體材料熱應(yīng)力分布，給出了復(fù)合材料等效熱脹系數(shù)的理論預(yù)報方法。采用材料膨脹系數(shù)測試儀， 測量了 T300/AG80 復(fù)合材料的熱脹系數(shù)， 熱膨脹系數(shù)的理論預(yù)報和試驗結(jié)果比較誤差小于 9%。結(jié)合等效熱膨脹系數(shù)預(yù)報方法，建立了復(fù)合材料熱殘余應(yīng)力以及變形預(yù)報模型，同時進行了有限元分析。試驗測量了復(fù)合材料層板的熱變形，對比試驗、有限元模擬和

5、理論預(yù)報結(jié)果，三者的復(fù)合材料溫度-變形曲線吻合良好。 在 Fick 第二定律的基礎(chǔ)上，建立了復(fù)合材料等效擴散時間模型，推導(dǎo)了三維應(yīng)力狀態(tài)下基體材料應(yīng)力與擴散系數(shù)的耦合關(guān)系方程，并進一步建立了考慮應(yīng)力-吸濕耦合關(guān)系的復(fù)合材料層板吸濕模型。與其它模型相比，該模型可以準確的預(yù)報復(fù)合材料吸濕過程中，吸濕率與時間關(guān)系曲線出現(xiàn)的異常行為。采用 ASTMD5229標準，進行了復(fù)合材料吸濕試驗研究，與試驗結(jié)果比較表明，應(yīng)力-吸濕耦合模型預(yù)報的吸濕率與試

6、驗結(jié)果吻合良好。 基于應(yīng)力-吸濕耦合模型，計算了復(fù)合材料層板厚度方向的應(yīng)力分布情況，采用有限元方法分析了復(fù)合材料厚度方向的吸濕率和應(yīng)力分布，與理論預(yù)報結(jié)果吻合很好。采用Tsai和詹世茂的復(fù)合材料濕熱老化模型，研究了吸濕對復(fù)合材料剛度和強度的影響。結(jié)果表明：濕熱環(huán)境對復(fù)合材料縱向拉伸強度和彈性模量影響不大，對縱向壓縮強度有一定的影響，對復(fù)合材料橫向彈性模量和橫向強度以及剪切模量和剪切強度影響較大。 采用伯格斯模型描述基體材料受壓狀態(tài)下的本