含脫層損傷復(fù)合材料層合梁動力特性的理論與實驗研究.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、能源運輸、體育器材等工程領(lǐng)域。樹脂基纖維增強型復(fù)合材料具有強度比、剛度比高,重量輕、抗腐蝕和材料性能可設(shè)計性等優(yōu)點,在工程結(jié)構(gòu)上得到廣泛應(yīng)用。同時其材料力學(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程中出現(xiàn)的大變形、物理非線性等問題受到了研究者的重視,開展了廣泛的研究討論,涉及靜態(tài)強度、屈曲、動力學(xué)方面的振動特性、沖擊動力屈

2、曲、損傷破壞現(xiàn)象等問題。
　　 本文以工程應(yīng)用中基本結(jié)構(gòu)形式直桿為研究對象,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,對樹脂基纖維增強型復(fù)合材料層合梁的動力特性分別從理論探討、實驗分析和數(shù)值仿真三個方面做了研究工作。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)動慣性,建立層合梁振動能量密度平衡方程,通過有限元方法求解以能量角度分析振動能量的傳播和分布特點；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能量分布的影響；建立軸向沖擊載荷作用下層合梁的動態(tài)屈曲性能的實驗研究模型,分析脫層損傷、鋪層角度和初始缺陷對動態(tài)屈曲的影響,并通過有限元數(shù)值仿真模型對層合梁中脫層損傷的發(fā)生擴展進行預(yù)測分析,得到了有意義的結(jié)論和具有工程應(yīng)用價值的數(shù)值分析模型。
　　 本文的主要工作包括以下幾個方面:
　　 通過全面回顧和總結(jié)纖維增強型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的振動特性、沖擊動力屈曲和損傷問題的研究進展。對該領(lǐng)域內(nèi)的研究歷

4、史、主要方法、熱點問題做了詳細的闡述,在前人研究工作的基礎(chǔ)上確定了本文的主要研究內(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時的運動平衡方程,考慮了轉(zhuǎn)動慣性、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)時對時間導(dǎo)數(shù)為零的特性建立了和傅立葉熱傳導(dǎo)方程類似的二階偏微分平衡方程。對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)對結(jié)構(gòu)進行離散和求解。通過兩端簡支的單跨梁中部受橫向激勵的模型分析,并與通用有限元軟件ABAQUS計算結(jié)果進行了對比,結(jié)果得到能量有限元方法在中、高頻段激勵時對結(jié)構(gòu)中振動能量密度與有限元計算的平均值結(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能量分布的特點。
　　 在此基礎(chǔ)上,對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)點耦合關(guān)系矩陣,從而對離散的能量密度平衡矩陣方程進行組建求解得到連續(xù)梁中振動能量密度的分布。引入了透射損耗系數(shù)來考慮連接節(jié)點處能量傳遞時的損耗問題,討論了不同鋪層角度和連接角度對投射系數(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。最后對空間連續(xù)連接的梁的橫向振動進行了分析,并與FEM計算結(jié)果做了對比。
　　 對含有

7、脫層損傷的復(fù)合材料層合梁橫向振動問題,采用分區(qū)模型考慮了橫向轉(zhuǎn)動慣性和剪切效應(yīng)的影響建立運動控制方程,引入界面力p(x,t)對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,通過透射系數(shù)、反射系數(shù)與頻率的關(guān)系曲線的分析發(fā)現(xiàn)臨界頻率是梁中能量流傳播的重要分界點,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、對能量流傳播的影響,以及脫層對梁振動能量密度的影響。
　　 對纖維增強型復(fù)合材料層合梁受軸向沖擊載荷作用下的動力響應(yīng)和動態(tài)屈曲問題進行了實驗研究。以環(huán)氧樹脂-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長梁,采用桿-桿類軸向碰撞模型以空氣動力槍使子彈獲得初始速度撞擊復(fù)合材料層合梁,采用動態(tài)數(shù)字應(yīng)變儀和示波器記錄梁中特定位置上的應(yīng)變時程曲線,基于B-R屈曲準(zhǔn)則思想對沖擊速度與梁

9、應(yīng)變的關(guān)系曲線進行屈曲判別。討論了脫層損傷、初始缺陷和鋪層方式對層合梁軸向沖擊動力屈曲的影響。
　　 對沖向沖擊載荷作用下的復(fù)合材料層合梁損傷問題進行了實驗和數(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)則來判別脫層的產(chǎn)生和擴展,通過與實驗結(jié)果對比驗證數(shù)值模型的正確性,分析了纖維鋪層方式對損