低溫復合材料貯箱跨尺度層次化分析.pdf

1、纖維增強樹脂基復合材料以其輕質(zhì)高強、可設計、耐腐蝕等優(yōu)點逐漸受到低溫工程領域的青睞。尤其是近年來隨著航天事業(yè)的發(fā)展，其在航天運載器低溫推進劑貯箱上得到越來越多的應用。然而，由于低溫輕質(zhì)無內(nèi)襯復合材料貯箱服役時處于高溫差和高壓力差的循環(huán)狀態(tài)，并且復合材料內(nèi)部纖維與樹脂的熱膨脹系數(shù)差異很大，所以當其冷卻至低溫時，樹脂中將產(chǎn)生十分顯著的拉伸應力。另一方面，樹脂系統(tǒng)在低溫時會由于內(nèi)部分子鏈的收縮而變脆，使得其失效應變顯著降低。熱膨脹系數(shù)差異引起

2、的內(nèi)應力和樹脂降低的失效應變共同作用，會引起纏繞層中基體微裂紋的產(chǎn)生，從而導致液體燃料的泄露，即結構功能失效。鑒于此，本文基于細觀力學有限元法建立了低溫復合材料的熱力學本構關系，提出了一種包含完整微觀應力場的復合材料跨尺度層次化分析方法，實現(xiàn)了熱-力耦合作用下低溫復合材料貯箱的跨尺度層次化分析。本文的研究工作是973計劃課題(2014CB046506)和國家自然科學基金課題(11372058)中相關子課題研究內(nèi)容的重要組成部分。本文主要

3、研究工作如下:
　　1.建立了低溫下纖維增強樹脂基復合材料的熱力學本構關系
　　基于黏彈性材料Maxwell本構模型，研究了低溫下樹脂材料的本構和溫度之間的關系。假設纖維材料性能不隨溫度變化，選取六邊形代表體積元為研究對象，采用細觀力學有限元方法建立了低溫下復合材料的熱力學本構模型。在此基礎上分別討論了纖維體分比和纖維的微觀排列對低溫復合材料熱力學本構關系的影響。
　　2.提出了一種包含完整微觀應力場的低溫復合材料跨尺

4、度層次化分析方法
　　通過施加周期對稱邊界條件得到了代表體積元的微觀應力場，結合疊加理論提出了一種低溫復合材料的跨尺度層次化分析方法。該方法不僅能進行低溫復合材料結構性能的跨尺度分析，還可以實現(xiàn)低溫復合材料結構響應的跨尺度分析，在得到了實際載荷下結構的完整微觀應力場后，可以結合組分材料的強度準則直接對組分材料進行強度判斷。通過典型算例驗證了本文跨尺度層次化分析方法的正確性。
　　3.實現(xiàn)了熱，力耦合作用下低溫復合材料貯箱的跨