SMA擬彈性對增強(qiáng)復(fù)合材料層合板抗彎曲與低速沖擊響應(yīng)分析.pdf

1、復(fù)合材料由于具有比強(qiáng)度高、比剛度高、耐腐蝕等優(yōu)良性能，在航空航天及汽車結(jié)構(gòu)中獲得了日益廣泛的應(yīng)用。然而，復(fù)合材料也有一些局限性，最突出的就是對低速沖擊比較敏感，抗低速沖擊能力差。在一定條件下，沖擊載荷會使復(fù)合材料出現(xiàn)嚴(yán)重的損傷。損傷形式包括裂紋擴(kuò)展、分層、纖維斷裂和穿孔等。這些沖擊損傷，會導(dǎo)致復(fù)合材料沖擊后的強(qiáng)度下降，強(qiáng)度下降的幅度甚至達(dá)到50%。因此，人們開展了廣泛的有關(guān)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)沖擊響應(yīng)方面的研究。同時(shí)，在工程結(jié)構(gòu)中也迫切需要提高

2、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)抗低速沖擊的能力。
　　 形狀記憶合金（Shape Memory Alloy，簡稱SMA）由于具有形狀記憶功能和擬彈性特性等優(yōu)良性能，被廣泛地應(yīng)用于航空航天、工業(yè)自動化、能源、建筑工程、儀器儀表、醫(yī)療衛(wèi)生以及機(jī)械制造等工業(yè)領(lǐng)域，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。近年來，人們開始研究利用SMA的特性來提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)抗低速沖擊性能。目前，研究成果主要集中在利用SMA的形狀記憶效應(yīng)來提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)性能，而對于利用SMA的

3、擬彈性特性改善復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)性能的研究相對較少。因此，本文根據(jù)教育部科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目“低速沖擊下含形狀記憶合金復(fù)合材料的動態(tài)響應(yīng)的有限元和實(shí)驗(yàn)研究”，研究了利用SMA的擬彈性增強(qiáng)復(fù)合材料層合板的抗彎曲變形和低速沖擊響應(yīng)性能，獲得了有意義的結(jié)果。本文主要工作有以下幾方面：
　　 (1)根據(jù)單相纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的經(jīng)典混合率定律，推導(dǎo)出了SMA增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)材料常數(shù)的計(jì)算公式，并在此基礎(chǔ)上，給出了一般的SMA增強(qiáng)復(fù)合

4、材料結(jié)構(gòu)以及SMA增強(qiáng)復(fù)合材料層合薄板的應(yīng)力—應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系。
　　 (2)根據(jù)擬彈性SMA 遲滯循環(huán)曲線的特點(diǎn)，建立了一種擬彈性SMA應(yīng)力—應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系的分段線性化模型，研究了具有擬彈性特性的SMA的能量吸收特性。
　　 (3)采用Rayleigh-Ritz法分析了具有能量吸收特性的擬彈性SMA對復(fù)合材料層合板彎曲變形的影響。研究結(jié)果表明，SMA的擬彈性特性的可以有效地改善復(fù)合材料層合板的抗彎曲變形的性能。
　　

5、 (4)在SMA 應(yīng)力—應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系分段線性化模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)能量平衡原理，采用分步能量平衡法，研究了SMA的能量吸收特性對復(fù)合材料層合板低速沖擊響應(yīng)性能的影響。研究結(jié)果表明，具有擬彈性特性的SMA可以有效地改善復(fù)合材料層合板的抗低速沖擊響應(yīng)性能，并且，隨著SMA中應(yīng)力誘導(dǎo)的馬氏體含量的增多，其改善復(fù)合材料層合板的低速沖擊響應(yīng)性能的效果更好。另外，研究結(jié)果也表明，擬彈性SMA的能量吸收性能對復(fù)合材料層合板低速沖擊響應(yīng)性能的改善效果，要

6、好于應(yīng)力誘導(dǎo)的馬氏體相變對復(fù)合材料層合板低速沖擊響應(yīng)性能的改善效果。
　　 (5)為了與能量法的分析結(jié)果進(jìn)行比較，本文還采用了有限元法并結(jié)合Newmark直接積分法對SMA增強(qiáng)復(fù)合材料層合板的低速沖擊響應(yīng)進(jìn)行了分析。另外，針對有限元動力方程中剛度矩陣計(jì)算的困難，還提出了利用SMA的線性化增量形式的本構(gòu)關(guān)系迭代求解SMA的彈性模量，進(jìn)而確定剛度矩陣的方法。為了證明本文所提出的低速沖擊響應(yīng)分析方法的正確性，還研究了Karas1939