含脫層損傷復(fù)合材料層合梁動(dòng)力特性的理論與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、隨著材料科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,新型復(fù)合材料不斷出現(xiàn)并被廣泛應(yīng)用于諸如航空航天、海洋工程、能源運(yùn)輸、體育器材等工程領(lǐng)域。樹(shù)脂基纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料具有強(qiáng)度比、剛度比高,重量輕、抗腐蝕和材料性能可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn),在工程結(jié)構(gòu)上得到廣泛應(yīng)用。同時(shí)其材料力學(xué)所具有的各向異性、纖維與基體之間的不連續(xù)性、單層之間性能較低以及使用過(guò)程中出現(xiàn)的大變形、物理非線(xiàn)性等問(wèn)題受到了研究者的重視,開(kāi)展了廣泛的研究討論,涉及靜態(tài)強(qiáng)度、屈曲、動(dòng)力學(xué)方面的振動(dòng)特性、沖擊動(dòng)力屈

2、曲、損傷破壞現(xiàn)象等問(wèn)題。
　　 本文以工程應(yīng)用中基本結(jié)構(gòu)形式直桿為研究對(duì)象,應(yīng)用現(xiàn)代復(fù)合材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)的基本理論,對(duì)樹(shù)脂基纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料層合梁的動(dòng)力特性分別從理論探討、實(shí)驗(yàn)分析和數(shù)值仿真三個(gè)方面做了研究工作。采用能量有限元方法,基于Timoshenko梁理論考慮了橫向剪切和轉(zhuǎn)動(dòng)慣性,建立層合梁振動(dòng)能量密度平衡方程,通過(guò)有限元方法求解以能量角度分析振動(dòng)能量的傳播和分布特點(diǎn)；采用接觸力概念處理層合梁構(gòu)脫層界面處的貫穿現(xiàn)象,討

3、論脫層端面處能量的傳播和脫層對(duì)能量分布的影響；建立軸向沖擊載荷作用下層合梁的動(dòng)態(tài)屈曲性能的實(shí)驗(yàn)研究模型,分析脫層損傷、鋪層角度和初始缺陷對(duì)動(dòng)態(tài)屈曲的影響,并通過(guò)有限元數(shù)值仿真模型對(duì)層合梁中脫層損傷的發(fā)生擴(kuò)展進(jìn)行預(yù)測(cè)分析,得到了有意義的結(jié)論和具有工程應(yīng)用價(jià)值的數(shù)值分析模型。
　　 本文的主要工作包括以下幾個(gè)方面:
　　 通過(guò)全面回顧和總結(jié)纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性、沖擊動(dòng)力屈曲和損傷問(wèn)題的研究進(jìn)展。對(duì)該領(lǐng)域內(nèi)的研究歷

4、史、主要方法、熱點(diǎn)問(wèn)題做了詳細(xì)的闡述,在前人研究工作的基礎(chǔ)上確定了本文的主要研究?jī)?nèi)容。首先基于Timoshenko梁理論建立了復(fù)合材料層合梁受橫向激勵(lì)時(shí)的運(yùn)動(dòng)平衡方程,考慮了轉(zhuǎn)動(dòng)慣性、剪切效應(yīng)的影響,根據(jù)功率流理論建立梁中彎曲、壓縮能量密度與功率流的導(dǎo)數(shù)關(guān)系式,由微元體中能量穩(wěn)態(tài)時(shí)對(duì)時(shí)間導(dǎo)數(shù)為零的特性建立了和傅立葉熱傳導(dǎo)方程類(lèi)似的二階偏微分平衡方程。對(duì)此方程可方便的采用Galerkin加權(quán)殘值法得到微分方程的弱積分方程,采用傳統(tǒng)有限元技

5、術(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散和求解。通過(guò)兩端簡(jiǎn)支的單跨梁中部受橫向激勵(lì)的模型分析,并與通用有限元軟件ABAQUS計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果得到能量有限元方法在中、高頻段激勵(lì)時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)中振動(dòng)能量密度與有限元計(jì)算的平均值結(jié)果具有很好的一致性,并且分析了不同鋪層角度的層合梁振動(dòng)能量分布的特點(diǎn)。
　　 在此基礎(chǔ)上,對(duì)不同角度連接的連續(xù)梁結(jié)構(gòu)采用能量有限元方法分析振動(dòng)能量分布,根據(jù)連接處內(nèi)力平衡和位移連續(xù)條件推導(dǎo)得到了能量流在連接節(jié)點(diǎn)處的透射與反射系數(shù),

6、從而根據(jù)功率流傳播的矢量特性和能量密度之間的物理關(guān)系得到連接處的節(jié)點(diǎn)耦合關(guān)系矩陣,從而對(duì)離散的能量密度平衡矩陣方程進(jìn)行組建求解得到連續(xù)梁中振動(dòng)能量密度的分布。引入了透射損耗系數(shù)來(lái)考慮連接節(jié)點(diǎn)處能量傳遞時(shí)的損耗問(wèn)題,討論了不同鋪層角度和連接角度對(duì)投射系數(shù)的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)能量流在同質(zhì)材料的梁之間傳播時(shí)損耗較低,并且隨連接角度的增加能量傳遞損耗增加。最后對(duì)空間連續(xù)連接的梁的橫向振動(dòng)進(jìn)行了分析,并與FEM計(jì)算結(jié)果做了對(duì)比。
　　 對(duì)含有

7、脫層損傷的復(fù)合材料層合梁橫向振動(dòng)問(wèn)題,采用分區(qū)模型考慮了橫向轉(zhuǎn)動(dòng)慣性和剪切效應(yīng)的影響建立運(yùn)動(dòng)控制方程,引入界面力p(x,t)對(duì)控制方程特殊處理從而避免脫層處子層界面之間的穿透、貫穿現(xiàn)象。根據(jù)脫層端面處位移連續(xù)條件和內(nèi)力平衡條件得到了不同彎曲波、壓縮波在端面處的反射和透射關(guān)系,通過(guò)透射系數(shù)、反射系數(shù)與頻率的關(guān)系曲線(xiàn)的分析發(fā)現(xiàn)臨界頻率是梁中能量流傳播的重要分界點(diǎn),反射和透射現(xiàn)象在臨界頻率上下呈現(xiàn)不同的傳播特性。此外分析了脫層在梁厚度上的位置

8、對(duì)能量流傳播的影響,以及脫層對(duì)梁振動(dòng)能量密度的影響。
　　 對(duì)纖維增強(qiáng)型復(fù)合材料層合梁受軸向沖擊載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)和動(dòng)態(tài)屈曲問(wèn)題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。以環(huán)氧樹(shù)脂-玻璃纖維采用手工鋪層方式制造復(fù)合材料層合板,通過(guò)預(yù)埋薄銅箔模擬了脫層損傷,經(jīng)切割加工成特定尺寸的細(xì)長(zhǎng)梁,采用桿-桿類(lèi)軸向碰撞模型以空氣動(dòng)力槍使子彈獲得初始速度撞擊復(fù)合材料層合梁,采用動(dòng)態(tài)數(shù)字應(yīng)變儀和示波器記錄梁中特定位置上的應(yīng)變時(shí)程曲線(xiàn),基于B-R屈曲準(zhǔn)則思想對(duì)沖擊速度與梁

9、應(yīng)變的關(guān)系曲線(xiàn)進(jìn)行屈曲判別。討論了脫層損傷、初始缺陷和鋪層方式對(duì)層合梁軸向沖擊動(dòng)力屈曲的影響。
　　 對(duì)沖向沖擊載荷作用下的復(fù)合材料層合梁損傷問(wèn)題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真分析。采用商用有限元軟件ABAQUS/Explicit建立了分析模型,采用基于粘結(jié)域理論的層合結(jié)構(gòu)子層之間界面單元,基于斷裂力學(xué)的B-K能量失效準(zhǔn)則和二階耦合失效準(zhǔn)則的混和失效準(zhǔn)則來(lái)判別脫層的產(chǎn)生和擴(kuò)展,通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證數(shù)值模型的正確性,分析了纖維鋪層方式對(duì)損