具有金屬內(nèi)襯復(fù)合材料纏繞結(jié)構(gòu)成型和使用過程的一體化分析.pdf

1、具有金屬內(nèi)襯的復(fù)合材料纖維纏繞結(jié)構(gòu)以其比強(qiáng)度和比剛度高，抗疲勞、抗震、耐腐蝕和密封性能好以及結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)性等諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用于航天、航空、汽車、造船、化工、機(jī)械、建筑和能源等各個(gè)工程部門。該結(jié)構(gòu)成型過程一般需經(jīng)歷纏繞、固化和超壓三個(gè)工藝階段，此三個(gè)工藝階段在成型過程中是連續(xù)的，各階段的工藝參數(shù)都將會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)的最終使用性能和承載能力帶來重要的影響，為此，該文對(duì)上述結(jié)構(gòu)的成型和使用過程進(jìn)行一體化分析和研究。同時(shí)由于該結(jié)構(gòu)在制造和使用中都

2、不可避免地受到外來物的低速?zèng)_擊，由試驗(yàn)結(jié)果和使用經(jīng)驗(yàn)結(jié)果表明，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部將會(huì)產(chǎn)生一類目視不可測(cè)損傷，譬如：樹脂開裂和分層破壞等等，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載能力的顯著降低，故在該文中還開展了低速?zèng)_擊下該結(jié)構(gòu)的損傷萌生和演化以及沖擊后含損傷結(jié)構(gòu)的剩余承載能力研究。 論文的主要內(nèi)容： (1)提出溫度參數(shù)法和一種虛-實(shí)結(jié)合、逐層實(shí)化的有限元分析策略，對(duì)復(fù)合材料纏繞結(jié)構(gòu)的纏繞張力引起的自平衡應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析。同時(shí)此分析策略與迭代搜索方法相

3、結(jié)合能實(shí)現(xiàn)纏繞結(jié)構(gòu)等張力場(chǎng)要求的反問題的求解。 (2)采用以平方收斂的newton-Raphson格式的軸對(duì)稱時(shí)-空有限元法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)合材料纏繞結(jié)構(gòu)的固化成型工藝全過程中溫度和固化度的分布及其變化規(guī)律的數(shù)值模擬研究。同時(shí)對(duì)復(fù)合材料纏繞結(jié)構(gòu)進(jìn)行了固化全過程的應(yīng)力場(chǎng)分析，并應(yīng)用Chang-Chang破壞準(zhǔn)則成功判別了在固化過程中結(jié)構(gòu)內(nèi)的損傷情況。 (3)基于Hellinger-Reissner廣義變分原理，提出了分析復(fù)合材

4、料纏繞殼結(jié)構(gòu)過程應(yīng)力場(chǎng)的混合狀態(tài)Hamilton元半解析法，建立了纏繞結(jié)構(gòu)的內(nèi)、外表面狀態(tài)變量之間的關(guān)系。在數(shù)值模擬過程中，采用了傳遞矩陣技術(shù)和逐步精細(xì)積分法求解纏繞結(jié)構(gòu)內(nèi)、外表面狀態(tài)變量未知量的方程。該方法大大地提高了應(yīng)力分析(尤其是層間應(yīng)力分析)的精度。 (4)采用彈塑性有限元法對(duì)具有金屬內(nèi)襯的復(fù)合材料纖維纏繞結(jié)構(gòu)進(jìn)行了超壓工藝的分析。通過對(duì)結(jié)構(gòu)在服役前施加適當(dāng)?shù)某瑝褐?，使結(jié)構(gòu)中金屬內(nèi)襯進(jìn)入硬化塑性階段而保持一種合理的壓縮殘

5、余應(yīng)力場(chǎng)，從而在工作狀態(tài)下，能夠降低結(jié)構(gòu)的金屬內(nèi)襯內(nèi)的應(yīng)力水平，同時(shí)，還能將載荷合理地轉(zhuǎn)移到復(fù)合材料纖維纏繞層中，以充分發(fā)揮復(fù)合材料纖維的高強(qiáng)度性能，從而較大地提高整體結(jié)構(gòu)的承載能力。 (5)使用基于低速?zèng)_擊動(dòng)力學(xué)理論的有限元分析方法分別研究了在空載和滿載下具有金屬內(nèi)襯的復(fù)合材料纖維纏繞容器的低速?zèng)_擊損傷行為。在分析過程中，考慮了幾何和材料非線性、摩擦和接觸等效應(yīng)，并采用復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的損傷準(zhǔn)則和剛度折減的方法，對(duì)損傷擴(kuò)展的形