纏繞復合材料剛度及損傷失效預測方法研究.pdf

1、纏繞復合材料作為結構復合材料在航空航天等領域取得了廣泛的應用,國內外很多型號的火箭、導彈發(fā)動機和發(fā)射筒采用纏繞復合材料替代傳統(tǒng)的金屬材料,降低結構重量提高火箭或導彈的性能。纏繞復合材料可以獲得較高的纖維含量高(最高可達80％)；便于控制制品質量穩(wěn)定性:制品內表面光滑；生產效率高。對纏繞復合材料剛度、損傷失效的預測研究具有重要的理論意義及工程應用價值,本文主要開展了以下研究工作:
　　 (1)提出并建立了纏繞復合材料細觀剛度模型與

2、預測方法?；诶p繞復合材料特征單元及其周期性分布特點,將纏繞復合材料剛度視為剛度場,采用二維傅立葉級數(shù)方法,推導、建立了特征單元的細觀剛度場函數(shù)和材料整體剛度矩陣:采剛數(shù)值積分利解析法相結合,推導了剛度場函數(shù)與纖維束剛度矩陣的關系式。數(shù)值算例表明,所建立的細觀剛度模型與預測方法,能夠很好地預測結構的剛度及其細觀結構對剛度的影響。
　　 (2)基于所提出的細觀剛度模型并結合逐漸累積損傷分析方法,發(fā)展并建立了纏繞復合材料結構結構分析

3、方法,即逐漸損傷有限元分析方法。首先,建立了基于細觀剛度模型的纏繞復合材料結構有限元分析技術；其次,將本文所發(fā)展的纏繞復合材料結構有限元分析技術和細觀剛度模型分別引入幾何人變形有限元應力應變分析和材料彈性參數(shù)退化,采用Hashin準則和材料彈性參數(shù)折減退化準則,進行結構的逐漸損傷失效分析；數(shù)值算例與試驗結果對比分析表明,本文所建立結構分析方法能夠反映材料內部應變分布,對不同張力方案、不同固化方案,應變有限元計算結果與試驗值均吻合較好；對

4、不同纏繞線形的纏繞復合材料圓管,可以較好的預測其軸向拉伸失效強度及軸向拉伸過程中損傷的擴展。
　　 (3)對不同纏繞線形、不同張力方案及不同固化方案加工的纏繞復合材料圓管進行軸向拉伸試驗,對纏繞復合材料的應力應變、拉伸強度以及纏繞線形、張力方案和固化方案對軸向拉伸模量及軸向拉伸強度的影響等進行了試驗研究。首次進行了纏繞復合材料細觀結構對應力應變特性影響的試驗分析。試驗結果表明,纏繞復合材料的軸向應變分布不均勻,纖維束交叉區(qū)域的軸

5、向應變大于層合區(qū)域軸向應變。張力方案及固化方案對纏繞復合材料圓管軸向拉伸模量及軸向拉伸強度有一定的影響；纏繞線形對軸向拉伸強度有較大影響。
　　 (4)對纏繞復合材料細觀結構進行了試驗研究,對纏繞復合材料圓管進行切割并對切割截面進行顯微拍照,通過宏觀目視與顯微拍照兩種方式,對纏繞復合材料內部纖維樹脂的分布、纖維走向的變化、鋪層厚度、纖維波動段的幾何形狀及其數(shù)學描述等細觀結構特點進行了研究。研究表明,纏繞復合內部同一鋪層內存在不同