開孔AS4-PEEK熱塑性復(fù)合材料層合板層間應(yīng)力的數(shù)值分析及實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、本文利用三維彈塑性有限元方法研究了開孔熱塑性復(fù)合材料AS4/PEEK層合板層間應(yīng)力的分布特點(diǎn)，并將結(jié)果與數(shù)字散斑相關(guān)試驗(yàn)方法所得到的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，以驗(yàn)證有限元方法結(jié)果的可靠性。具體來講，主要包括以下幾方面的內(nèi)容：
　　 首先利用三維彈塑性有限元研究了開孔的熱塑性復(fù)合材料AS4/PEEK層合板的層間應(yīng)力分布特征。計(jì)算采用大型有限元軟件ANSYS9.0來實(shí)現(xiàn)。由于此種類型的復(fù)合材料在軟件中并無相應(yīng)的材料模型，為此利用試驗(yàn)結(jié)果擬合的

2、方法建立了適合于AS4/PEEK的塑性材料本構(gòu)模型，并將簡(jiǎn)單層板的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，證明了模型的合理性。然后對(duì)幾種形式的層合板進(jìn)行了計(jì)算：首先是薄的對(duì)稱角鋪設(shè)開孔層合板[±θ]s層間應(yīng)力分布的特征。在此基礎(chǔ)上，又討論了兩種典型的厚層合板[±25]s4和[0/±45/90]2s在開孔情況下的層間應(yīng)力分布特征。分析了鋪設(shè)角、鋪層位置對(duì)層間應(yīng)力的影響，以及各種情況下自由邊界效應(yīng)的特點(diǎn)。計(jì)算結(jié)果顯示：
　　 1.在所分析模型

3、中，無論何種鋪設(shè)形式，自由邊緣效應(yīng)都是明顯存在的。而且厚板相對(duì)于薄板，一般自由邊緣效應(yīng)更明顯一些。
　　 2.對(duì)含孔層合板，孔邊的自由邊緣效應(yīng)相應(yīng)于兩個(gè)自由邊界更為明顯，層間應(yīng)力的最大值一般出現(xiàn)在孔邊或其附近。
　　 3.由于材料鋪設(shè)角度影響，層間應(yīng)力的最大值一般不在最小橫截面(即模型中x=0所對(duì)應(yīng)的橫截面)上，而是根據(jù)鋪設(shè)角度的不同有一個(gè)偏移量。
　　 4.所有的層間應(yīng)力都具有關(guān)于孔中心對(duì)稱的特點(diǎn)。
　　

4、 5.對(duì)于[±25]s4鋪設(shè)、含中心孔的層合板，層間應(yīng)力的自由邊緣效應(yīng)具有以下特點(diǎn)：當(dāng)上下層的材料主軸方向一致時(shí)，自由邊緣效應(yīng)表現(xiàn)為較大的層間正應(yīng)力；當(dāng)材料主軸方向角符號(hào)相反時(shí)，自由邊緣效應(yīng)則表現(xiàn)為較大的層間切應(yīng)力。這種鋪設(shè)的層合板還有一個(gè)重要的特點(diǎn)就是，在自由邊界處，層間切應(yīng)力在最小橫截面與自由邊界的交線上等于零或近似等于零；而在孔邊，則是在縱向平面(xoy平面)與孔邊交線上層間切應(yīng)力等于零或近似等于零。
　　 6.對(duì)[0/

5、±45/90]2s鋪設(shè)的開孔準(zhǔn)各向同性層合板，其層間應(yīng)力的自由邊緣效應(yīng)具有以下特點(diǎn)：在90/-45及0/90層間，層間正應(yīng)力的自由邊緣效應(yīng)較為明顯；在-45/45和45/0層間切應(yīng)力的自由邊緣效應(yīng)較為明顯。
　　 7.自由邊緣效應(yīng)對(duì)于層間正應(yīng)力和切應(yīng)力具有所謂的“互補(bǔ)性”，即如果某一層間層間正應(yīng)力較小的話，則層間切應(yīng)力就會(huì)比較大，反之亦然。
　　 其次，借助于目前科學(xué)研究領(lǐng)域常用的軟件Matlab編寫了一套進(jìn)行散斑相關(guān)計(jì)

6、算的程序。本程序能夠進(jìn)行完整的散斑圖的前處理、散斑相關(guān)計(jì)算和后處理等功能。具體來講，做了以下工作：
　　 1.編制了散斑相關(guān)計(jì)算的前處理程序，包括：多幅散斑圖平均的處理；散斑圖的剪裁(通過剪裁變形前的散斑圖，得到和變形后散斑圖相對(duì)應(yīng)的區(qū)域，使散斑搜索能夠?qū)崿F(xiàn))。
　　 2.編制了散斑相關(guān)計(jì)算程序：包括初搜索程序和精細(xì)搜索程序兩個(gè)部分。初搜索程序提供了兩種算法進(jìn)行整數(shù)像素的搜索；而精細(xì)搜索算法在初搜索的基礎(chǔ)上，利用優(yōu)化算法

7、來尋找亞像素級(jí)的匹配點(diǎn)。
　　 3.編制了散斑的后處理程序，包括位移場(chǎng)的平滑及應(yīng)變場(chǎng)的求解。
　　 4.對(duì)算法的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，提出了對(duì)剛體轉(zhuǎn)動(dòng)修正的參考方法。
　　 5.為提高計(jì)算速度，利用Matlab提供的分布式計(jì)算引擎，在局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了并行散斑相關(guān)計(jì)算。
　　 最后利用數(shù)字散斑相關(guān)方法研究了開孔AS4/PEEK層合板的孔邊及附近微區(qū)的應(yīng)變集中現(xiàn)象。由于孔邊是應(yīng)變的高梯度區(qū)，而層合板側(cè)面應(yīng)變分布十分復(fù)

8、雜，單純采用普通散斑相關(guān)方法很難精確進(jìn)行測(cè)量。針對(duì)這種情況，研究中采用了三種分辨率的放大鏡頭來采集散斑圖像。其中，放大倍數(shù)低的散斑圖用來確定應(yīng)變的集中區(qū)，而放大倍數(shù)高的散斑圖像則用來確定應(yīng)變集中區(qū)的應(yīng)變數(shù)值。由以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及與有限元計(jì)算結(jié)果的對(duì)比，可以得到如下結(jié)論：
　　 1.以上的實(shí)驗(yàn)研究證實(shí)，采用不同放大倍數(shù)的放大鏡頭采集散斑圖，從而實(shí)現(xiàn)高應(yīng)變梯度微區(qū)及復(fù)雜應(yīng)變微區(qū)的應(yīng)變分布測(cè)量是可行的。
　　 2.一般來講，可

9、以利用放大倍數(shù)較大的鏡頭來測(cè)量應(yīng)變集中的部位，而對(duì)于應(yīng)變較小的部位則可以用小放大倍數(shù)的鏡頭來測(cè)量。
　　 3.提高鏡頭的放大倍數(shù)，會(huì)同時(shí)增大原散斑場(chǎng)的散斑顆粒，降低對(duì)比度。所以，用放大倍數(shù)較大的鏡頭進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需要制備更精細(xì)的散斑。
　　 4.由于散斑法本身固有的缺點(diǎn)，采用低放大率的CCD鏡頭不能測(cè)量到孔邊緣處的應(yīng)變分布。這時(shí)通過提高鏡頭的放大倍數(shù)，可以使測(cè)量結(jié)果更接近孔邊緣。
　　 5.通過將散斑相關(guān)方法和有限