基于精化整體局部高階理論的層合板熱力問題有限元分析.pdf

1、復合材料層合結(jié)構(gòu)以其高比強度、高比模量、耐腐蝕、可設計性好等優(yōu)點，被廣泛地應用于航空航天、建筑工程、車輛工程等軍用和民用領域中。由于復合材料層合結(jié)構(gòu)各層材料屬性的不同，使其具有非均勻性、呈層性、各向異性以及對環(huán)境的敏感性等特征，因而在外荷載的作用下，其變形和破壞的過程較為復雜。復合材料層合結(jié)構(gòu)在加工制造以及實際運用的過程中，承受巨大機械荷載的同時，還往往伴隨著劇烈的溫度變化。機械荷載和溫度荷載的共同作用，導致其結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生顯著的層間應力

2、，從而使整個結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的變形而破壞失效。因此，為了保證復合材料層合結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，準確有效地預測熱力作用下復合材料層合板中層間應力的分布情況，已成為當代學術(shù)界和工程界的一個研究熱點。
　　本文首先對復合材料層合板理論及層間應力研究方法進行了詳細的歸納總結(jié)，發(fā)現(xiàn)精化整體局部高階剪切變形理論不僅滿足面內(nèi)位移和橫向剪切應力層間連續(xù)條件，同時還可以直接應用本構(gòu)方程計算面內(nèi)應力和層間應力，在兼顧計算效率的同時，具有很高的精度。因此，

3、選擇該理論作為本文的理論基礎。另外，基于計算機技術(shù)的有限單元法不受實驗環(huán)境、荷載形式、邊界條件等諸多因素的限制，可以求解具有任意復雜形狀與性能的結(jié)構(gòu)承受任意荷載的問題，被廣泛地運用于復合材料層合板結(jié)構(gòu)不同層次的研究中。因此，本文基于有限單元法對熱力載荷作用下復合材料層合板的響應展開研究。主要研究工作包括:
　　1)詳細推導了精化整體局部高階剪切變形理論。在充分考慮材料偏軸剛度系數(shù)的基礎上，通過在起始位移函數(shù)中引入面內(nèi)位移和層間應力

4、連續(xù)性條件，以及上下表面自由邊界條件，得到了含有19個獨立于層合板層數(shù)的未知變量的最終位移函數(shù)，并以此為基礎，采用DKQ單元，分別構(gòu)造了滿足單元間C0和C1連續(xù)的橫向位移函數(shù)，建立了四節(jié)點四邊形單元，其中每個節(jié)點含有19個自由度。此外，還給出了單元應變矩陣與形函數(shù)矩陣的顯式表達式，為后續(xù)工作的展開奠定了理論基礎。
　　2)開展了熱荷載單獨作用下復合材料層合板的響應分析，并對現(xiàn)有文獻中熱荷載作用下的三維彈性解答以及溫度場的選取進行了

5、簡單的闡述。數(shù)值算例采用沿厚度方向均勻分布和線性分布兩種方式的溫度場，從不同層數(shù)、不同網(wǎng)格劃分密度、不同跨厚比等多個方面，詳細地研究了復合材料層合板在熱荷載作用下的響應分布情況。同時通過與解析解的對比，檢驗了熱荷載下基于精化整體局部高階理論的層合板單元的有效性與準確性。計算結(jié)果表明:該單元在求解熱荷載作用下層和板的響應時，具有相當高的精度。
　　3)在現(xiàn)有文獻的基礎上，歸納和總結(jié)了力荷載及熱力荷載作用下層合板三維彈性解答，分別研究

6、了兩類荷載作用下復合材料層合板的響應。數(shù)值算例著重以三層[0/90/0]s正交鋪設層合板為研究對象，通過與文獻結(jié)果以及基于ABAQUS軟件的計算結(jié)果進行對比，驗證了基于精化整體局部高階理論的層合板單元在熱力荷載作用下的精確性。
　　4)通過對不同跨厚比下復合材料層合板層間應力的研究，分析了層間應力隨跨厚比的變化規(guī)律，通過函數(shù)擬合，給出了相應的關(guān)系式。此外，以三層層合板為例，計算了6種典型鋪設方式下的響應，分析了不同鋪設方式對層間應