具損傷壓電智能層合結(jié)構(gòu)的非線性動力學(xué)性能與疲勞壽命研究.pdf

1、纖維增強復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)在加工與使用過程中極易產(chǎn)生損傷，損傷的出現(xiàn)及其擴展將劣化結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能，降低其使用壽命，為保證該類結(jié)構(gòu)安全可靠地工作，必須根據(jù)不同的缺陷形式確定相應(yīng)的損傷本構(gòu)關(guān)系，建立其靜、動力學(xué)模型，分析損傷對結(jié)構(gòu)力學(xué)性能及其使用壽命的影響。本論文以纖維增強復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)以及壓電智能層合結(jié)構(gòu)為研究對象，綜合考慮結(jié)構(gòu)幾何非線性和壓電效應(yīng)等因素，研究具基體開裂、脫層、纖維與基體脫膠等不同損傷形式下，層合結(jié)構(gòu)及壓電智能層合結(jié)構(gòu)的非

2、線性動力響應(yīng)與疲勞損傷壽命等問題，揭示其力學(xué)行為的本質(zhì)特征。本論文的研究成果不僅具有較重要的學(xué)術(shù)價值，也具有較強的工程應(yīng)用意義。本論文的主要研究工作如下。 研究具損傷壓電粘彈性層合梁的疲勞壽命問題?；诰€粘彈性理論和連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)，采用Boltzmann疊加原理和應(yīng)變能等效原理，建立了具正交各向異性損傷的粘彈性復(fù)合材料的本構(gòu)關(guān)系。設(shè)每一單層沿厚度方向有相同的損傷程度，考慮幾何非線性、橫向剪切效應(yīng)和壓電效應(yīng)，根據(jù)復(fù)合材料力學(xué)和非

3、線性層合板殼理論，建立了具損傷壓電粘彈性層合梁的非線性運動控制方程，采用Kachanov型損傷演化模型表征在單次循環(huán)載荷作用下的損傷演化，應(yīng)用Chaboche高周期疲勞損傷模型來描述多次循環(huán)載荷作用下的疲勞損傷累積狀況，然后，綜合運用有限差分法、Newmark法、Newton-Cotes法和迭代法對整個問題進行求解，并利用循環(huán)跳躍法來縮減計算量。具體地討論了載荷參數(shù)、結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)、材料參數(shù)和壓電效應(yīng)等因素對具損傷壓電粘彈性層合梁非線性動

4、力響應(yīng)和疲勞損傷演化曲線的影響，且與非線性有限元的結(jié)果進行了比較。 研究具基體開裂損傷壓電層合板的疲勞壽命問題?；赥alreia張量內(nèi)變量損傷模型，應(yīng)用不變量理論和不可逆熱力學(xué)原理建立了適用于具基體開裂損傷纖維增強復(fù)合材料彎曲問題的損傷本構(gòu)關(guān)系?？紤]幾何非線性和壓電效應(yīng)，根據(jù)VonKarman非線性板理論，建立了具基體開裂損傷壓電層合板的非線性運動控制方程。采用Kachanov型損傷演化模型表征在單次循環(huán)載荷作用下的損傷演化，

5、應(yīng)用Chaboche高周期疲勞損傷模型描述多次循環(huán)載荷作用下的疲勞損傷累積狀況，然后，綜合運用有限差分法、Newmark法、Newton- Cotes法和迭代法對整個問題進行求解，并利用循環(huán)跳躍法來縮減計算量。具體地討論了載荷參數(shù)、結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)、材料參數(shù)和壓電效應(yīng)等因素對具基體開裂損傷壓電層合板非線性動力響應(yīng)和疲勞損傷演化的影響，且與已有文獻的結(jié)果進行了比較。 研究具非對稱脫層壓電層合梁板的疲勞脫層擴展問題?；诜蔷€性彈性板殼理

6、論和可動邊界變分原理，考慮脫層間的接觸效應(yīng)，建立了具脫層壓電層合梁板的非線性運動控制方程及相應(yīng)的定解條件。應(yīng)用Griffith準(zhǔn)則，建立了脫層前緣的能量釋放率表達式，根據(jù)Paris的疲勞擴展準(zhǔn)則，得到了循環(huán)荷載作用下脫層前緣的脫層擴展率，然后，應(yīng)用循環(huán)跳躍法計算出脫層前緣的擴展長度。具體地討論了電壓、脫層的非對稱性、脫層長度等因素對具非對稱脫層壓電層合梁板脫層前緣的能量釋放率，以及脫層前緣擴展長度的影響。 研究具非對稱脫層壓電層

7、合圓柱殼的疲勞脫層擴展問題?；诳蓜舆吔缱兎衷?，建立了考慮脫層間非線性接觸效應(yīng)的具脫層壓電層合圓柱殼的力學(xué)模型。首先，將脫層的上下部分視為兩串連非線性彈簧來計算接觸力，然后，對系統(tǒng)的非線性運動控制方程進行修正，從而有效地避免了脫層之間的相互貫穿。應(yīng)用Griffith準(zhǔn)則，導(dǎo)出了壓電層合圓柱殼脫層前緣的能量釋放率表達式，且根據(jù)Paris的疲勞擴展準(zhǔn)則，得到循環(huán)荷載作用下脫層前緣的擴展長度。具體地討論了壓電效應(yīng)、接觸區(qū)剛度、脫層的非對稱性

8、、脫層長度等因素對具非對稱脫層壓電層合圓柱殼脫層前緣的能量釋放率，以及脫層前緣擴展長度的影響。 研究具界面損傷復(fù)合材料層合板的非線性動力響應(yīng)問題?；赟oldatos精確應(yīng)力分析的廣義六自由度板理論，考慮復(fù)合材料層合板鋪設(shè)層間界面處的損傷效應(yīng)，應(yīng)用變分原理，建立了具界面損傷復(fù)合材料層合板的三維非線性運動控制方程；基于彈性力學(xué)空間問題的平衡微分方程，考慮具損傷界面的位移和應(yīng)力連續(xù)條件，確定了非線性運動控制方程中的待定形函數(shù)。綜合利

9、用有限差分法、Newmark法、Newton-Cotes法和迭代法對具界面損傷簡支可動層合板的層間應(yīng)力以及非線性動力響應(yīng)進行求解。具體地討論了界面損傷對界面處應(yīng)力場和層合板非線性動力響應(yīng)的影響。 研究纖維增強復(fù)合材料界面的疲勞脫粘擴展問題?；趶椥粤W(xué)的基本理論，建立了纖維增強復(fù)合材料脫粘區(qū)和未脫粘區(qū)的平穩(wěn)微分方程及相應(yīng)的定解條件，導(dǎo)出了纖維與基體中軸向正應(yīng)力的計算式；應(yīng)用界面脫粘的能量釋放率準(zhǔn)則，建立了復(fù)合材料脫粘的判據(jù)，根據(jù)