复合材料层合板损伤特性及识别方法研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:dongshantongak
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复合材料作为新型材料,其具有高比强度、高比刚度、耐冲击、重量轻、耐腐蚀等特点。它在保证比合金类金属材料轻的情况下,其力学强度以及模量可以超过许多合金类金属材料。由于复合材料层合板制造工艺问题以及服役过程中受到外力冲击,不可避免的会出现一些内部分层以及纤维/基体破坏损伤,这种损伤通过复合材料层合板的外表难以侦测出来,即使侦测出来也难以评估其损伤程度。因此,需要寻找一种方法来确定复合材料层合板的损伤位置以及合理评估其损伤的程度,同时又可以对复合材料层合板的设计提供指导。论文采用曲率法开展了复合材料层板损伤特性及识别方法研究。首先以Abaqus中S4R5薄壳单元模拟复合材料层合板,并提取其单个单元的刚度阵、质量阵并在Matlab中完成质量阵、刚度阵总装,再利用总装的质量阵和刚度阵计算出复合材料层合板模型的动力学特性,同时分离出控制平面应变、控制弯曲应变以及横向剪切的三种属性刚度阵。通过矩阵摄动法和刚度衰减法来分析不同属性刚度对复合材料层合板动力学特性的影响规律,确定对振型曲率影响较大的刚度属性,再将损伤等效为该属性刚度的衰减,从而实现对损伤位置的识别,并对损伤识别原理进行进一步地探讨。然后针对壳单元无法模拟层合板分层损伤这一问题,把层合板动力学问题转化为静力学问题进行分析。根据经典复合材料层板理论来研究层合板分层状态下的力学特性变化,并建立层合板贯穿/非贯穿分层理论。根据建立的理论分析弯曲方向不变/弯曲方向变化位置分层对层合板分层位置的刚度、曲率以及应变的影响规律,从而实现不同损伤类型及损伤位置的识别。最后采用C3D20R三维单元分别建立含分层损伤与纤维/基体破坏的复合材料层合板模型来验证理论的正确性。根据算例分析了弯曲方向不变/弯曲方向变化位置分层损伤对层合板分层位置的刚度、曲率以及振频的影响,也分析了纤维/基体破坏损伤对层合板的刚度、曲率以及振频的影响。对比这两种损伤类型对层合板力学特性的影响规律,给出了区分这两种不同损伤类型的方法以及如何提高分层损伤识别的精度,同时分析了层合板分层位置的应变规律,提出了评估分层损伤程度的方法。
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