含脱层损伤复合材料层合梁动力屈曲理论与实验研究

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纤维增强的复合材料以其高比强度、高比刚度、抗疲劳、耐腐蚀以及良好的可设计性等,在船舶与海洋工程、航空航天、建筑医疗、汽车制造以及土木工程等工程领域中得到了广泛应用。然而在加工或使用过程中,由于各种冲击事件、制造过程中的缺陷和疲劳等,不可避免地会引起脱层现象的发生,同时脱层损伤也是纤维增强型复合材料结构的最主要的破坏形式之一,这必将对结构的受力和动力特性产生一定的影响。因此,对于含脱层损伤复合材料结构的力学特性研究具有十分重要的理论意义和应用价值,越来越引起学者的重视,也是近年来复合材料结构力学研究的一个热点问题。 本文针对含有初始几何缺陷和脱层损伤的复合材料层合梁,做了如下工作: 1.基于Hamilton 原理导出了考虑初始缺陷、轴向和横向惯性、横向剪切变形以及转动惯性影响时含脱层损伤复合材料层合梁的非线性动力屈曲控制方程;基于B-R 准则,采用有限差分(FDM)方法求解了受轴向恒定冲击速度的冲击载荷作用下含脱层损伤复合材料层合梁的动力屈曲问题;讨论了冲击速度、初始几何缺陷、铺层角度以及脱层长度等因素对复合材料层合梁动力屈曲的影响。 2.采用有限差分(FDM)方法求解了含初始缺陷和脱层损伤复合材料层合梁的轴向脉冲动力屈曲和后屈曲问题。考虑轴向和横向惯性、一阶横向剪切变形(FSDT)以及转动惯性和初始缺陷对含脱层损伤复合材料梁动力屈曲的影响;采用B-R 准则和动量准则判断梁动力屈曲时刻,同时确定刚性质量块的临界冲击速度,讨论了两种准则对于梁脉冲动力屈曲问题的等价性。重点研究脱层对复合材料梁脉冲动力屈曲的影响,同时也研究了冲击速度、初始几何缺陷等因素对含脱层损伤复合材料层合梁脉冲动力屈曲的影响。 3.研究了有限长、含脱层损伤复合材料层合直杆受轴向阶跃载荷作用的弹性动力屈曲问题。将含脱层损伤复合材料层合直杆的屈曲问题归结为由轴向应力波传播导致的分叉问题,并考虑了应力波反射的影响。给出了分叉发生的临界条件。研究了脱层长度、铺层角度对动力屈曲的影响。分析结果表明脱层损伤降低了复合材料直杆的动力承载能力。 4.通过实验方法研究了含初始几何缺陷和脱层损伤复合材料直杆轴向受刚性质量块撞击的动力屈曲问题。记录了不同冲击速度、不同初始几何缺陷和不同脱层长度下,试件特定截面上下两侧对称点的应变时程曲线。讨论了冲击速度、初始几何缺陷、脱层长度对于动力屈曲的影响。
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