復(fù)合材料層合板殼細-宏觀變分漸近精細模型及應(yīng)用研究.pdf

1、隨著高速軌道交通技術(shù)以及航空航天技術(shù)的迅猛發(fā)展,對復(fù)合材料各種性能的研究及其由復(fù)合材料組成的結(jié)構(gòu)構(gòu)件在各種受力條件下的性能表征和損毀機理的研究需求日趨迫切,并且采用適當(dāng)?shù)难芯糠椒ㄔ诠こ虒嵺`中愈發(fā)重要。
　　在細觀層面上研究復(fù)合材料層合板整體應(yīng)力以及應(yīng)變的時候,需要將每層板的虛擬的物質(zhì)材料屬性用比較簡單的方法求解出來,即用細觀力學(xué)模型從原非均質(zhì)材料中建立虛擬的以及等效的均質(zhì)材料屬性,然后進一步研究整個構(gòu)件在機械荷載作用下的響應(yīng)值。對

2、復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)進行多尺度建模與計算可以更加準(zhǔn)確地表征復(fù)合材料的性能及預(yù)報材料在一定工況下的響應(yīng)規(guī)律,為依賴于微結(jié)構(gòu)的材料性能的優(yōu)化提供了有力的支持。
　　在宏觀上基于變分漸近法構(gòu)建機械荷載作用下的復(fù)合材料層合板彈性模型。原三維非線性彈性問題由一組定義在參考面的固有變量和法線方向的任意變形進行表述;然后利用變分漸近法將三維問題嚴(yán)格拆分為兩個問題:沿參考面的二維板非線性分析(全局響應(yīng))和沿厚度方向的一維分析(提供二維廣義本構(gòu)關(guān)系和重構(gòu)

3、關(guān)系)。為便于工程實際應(yīng)用,采用降維能量泛函將拆分后的模型漸近修正到二階的自由能轉(zhuǎn)換為Reissner-Mindlin模型,并考慮橫向剪切變形影響。通過算例表明:重構(gòu)的三維場分布精度較經(jīng)典層合板理論(CLT)和一階剪切變形理論(FOSDT)更高,可與精確解相媲美,驗證了理論和方法的有效性和準(zhǔn)確性。構(gòu)建后的模型在計算精度上符合工程實踐的應(yīng)用要求,完美地在計算成本上以及計算時間上尋找到了平衡點,在計算精度上和計算效率上取得了較好地折中。可在

4、初步設(shè)計時可以很快找到三維場分布的最不利位置。
　　同樣基于多尺度計算,在材料制備前進行加工工藝與微結(jié)構(gòu)設(shè)計,為符合工程實用目的的材料制備鋪墊堅實的理論基礎(chǔ)。在許多以多尺度計算的方法中,多尺度變分漸近分析方法是一種適用于以周期性條件構(gòu)造而成的復(fù)合材料的性能表征與有效結(jié)構(gòu)分析的高效、通用、精確的方法。多尺度變分漸近分析的基本思想是:復(fù)合材料材料性能的計算和預(yù)測從細觀到宏觀這一過程,采用雙尺度均勻化方法,由細觀尺度下的單胞模型計算出宏

5、觀材料的均勻化性能參數(shù);而結(jié)構(gòu)物理、力學(xué)行為的計算與預(yù)測則是從宏觀平均場方程出發(fā),利用雙尺度變分漸進分析方法對復(fù)合材料層合板的有效性能以及響應(yīng)規(guī)律進行了雙尺度的表征與計算。該方法既能夠考慮細觀結(jié)構(gòu)對宏觀性能的影響,又能夠在結(jié)構(gòu)分析中獲得宏觀應(yīng)力、應(yīng)變場的同時,獲得細觀應(yīng)力、應(yīng)變場,為復(fù)合材料層狀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和損傷分析打下了良好的基礎(chǔ),研究結(jié)果具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價值。針對復(fù)合材料多尺度結(jié)構(gòu)的細觀尺度,開展了單項復(fù)合材料力學(xué)性能的