低溫復(fù)合材料貯箱跨尺度層次化分析.pdf

1、纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料以其輕質(zhì)高強(qiáng)、可設(shè)計(jì)、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)逐漸受到低溫工程領(lǐng)域的青睞。尤其是近年來隨著航天事業(yè)的發(fā)展，其在航天運(yùn)載器低溫推進(jìn)劑貯箱上得到越來越多的應(yīng)用。然而，由于低溫輕質(zhì)無內(nèi)襯復(fù)合材料貯箱服役時(shí)處于高溫差和高壓力差的循環(huán)狀態(tài)，并且復(fù)合材料內(nèi)部纖維與樹脂的熱膨脹系數(shù)差異很大，所以當(dāng)其冷卻至低溫時(shí)，樹脂中將產(chǎn)生十分顯著的拉伸應(yīng)力。另一方面，樹脂系統(tǒng)在低溫時(shí)會(huì)由于內(nèi)部分子鏈的收縮而變脆，使得其失效應(yīng)變顯著降低。熱膨脹系數(shù)差異引起

2、的內(nèi)應(yīng)力和樹脂降低的失效應(yīng)變共同作用，會(huì)引起纏繞層中基體微裂紋的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致液體燃料的泄露，即結(jié)構(gòu)功能失效。鑒于此，本文基于細(xì)觀力學(xué)有限元法建立了低溫復(fù)合材料的熱力學(xué)本構(gòu)關(guān)系，提出了一種包含完整微觀應(yīng)力場(chǎng)的復(fù)合材料跨尺度層次化分析方法，實(shí)現(xiàn)了熱-力耦合作用下低溫復(fù)合材料貯箱的跨尺度層次化分析。本文的研究工作是973計(jì)劃課題(2014CB046506)和國家自然科學(xué)基金課題(11372058)中相關(guān)子課題研究內(nèi)容的重要組成部分。本文主要

3、研究工作如下:
　　1.建立了低溫下纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的熱力學(xué)本構(gòu)關(guān)系
　　基于黏彈性材料Maxwell本構(gòu)模型，研究了低溫下樹脂材料的本構(gòu)和溫度之間的關(guān)系。假設(shè)纖維材料性能不隨溫度變化，選取六邊形代表體積元為研究對(duì)象，采用細(xì)觀力學(xué)有限元方法建立了低溫下復(fù)合材料的熱力學(xué)本構(gòu)模型。在此基礎(chǔ)上分別討論了纖維體分比和纖維的微觀排列對(duì)低溫復(fù)合材料熱力學(xué)本構(gòu)關(guān)系的影響。
　　2.提出了一種包含完整微觀應(yīng)力場(chǎng)的低溫復(fù)合材料跨尺

4、度層次化分析方法
　　通過施加周期對(duì)稱邊界條件得到了代表體積元的微觀應(yīng)力場(chǎng)，結(jié)合疊加理論提出了一種低溫復(fù)合材料的跨尺度層次化分析方法。該方法不僅能進(jìn)行低溫復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能的跨尺度分析，還可以實(shí)現(xiàn)低溫復(fù)合材料結(jié)構(gòu)響應(yīng)的跨尺度分析，在得到了實(shí)際載荷下結(jié)構(gòu)的完整微觀應(yīng)力場(chǎng)后，可以結(jié)合組分材料的強(qiáng)度準(zhǔn)則直接對(duì)組分材料進(jìn)行強(qiáng)度判斷。通過典型算例驗(yàn)證了本文跨尺度層次化分析方法的正確性。
　　3.實(shí)現(xiàn)了熱，力耦合作用下低溫復(fù)合材料貯箱的跨