低速?zèng)_擊下?lián)p傷層合-功能梯度板殼的非線性動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、本論文以層合復(fù)合材料/功能梯度板殼為研究對(duì)象,綜合考慮損傷效應(yīng)、物理非線性、幾何非線性、環(huán)境溫度等因素,系統(tǒng)地研究了低速?zèng)_擊下層合復(fù)合材料/功能梯度板殼的動(dòng)力響應(yīng)、基體損傷、界面損傷等問(wèn)題,揭示了層合復(fù)合材料/功能梯度板殼在低速?zèng)_擊下的非線性動(dòng)力學(xué)特性和損傷機(jī)理。其研究工作不僅豐富了接觸力學(xué)和沖擊損傷理論,同時(shí),具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。本論文的主要研究?jī)?nèi)容如下。
　　 基于中厚殼幾何非線性理論和損傷理論,采用應(yīng)變描述的失效準(zhǔn)則,

2、導(dǎo)出了層合中厚淺球殼含基體損傷和纖維-基體剪切損傷的損傷本構(gòu)關(guān)系,并假設(shè)每一單層沿厚度方向有相同的損傷程度,建立了低速?zèng)_擊下用位移分量表示的軸對(duì)稱(chēng)正交對(duì)稱(chēng)鋪設(shè)層合中厚淺球殼的非線性運(yùn)動(dòng)控制方程。將未知位移函數(shù)在空間域采用正交配置法離散,時(shí)間域采用Newmark-β方法離散,對(duì)整個(gè)問(wèn)題進(jìn)行迭代求解。具體討論了基體損傷、沖擊速度以及結(jié)構(gòu)的幾何尺寸等對(duì)低速?zèng)_擊下結(jié)構(gòu)所受的沖擊載荷和結(jié)構(gòu)的非線性動(dòng)力響應(yīng)的影響。
　　 根據(jù)Reddy的高

3、階剪切變形理論,建立復(fù)合材料層合中厚板的位移場(chǎng)和VonKarman型幾何關(guān)系,并采用Takeja張量?jī)?nèi)變量損傷模型,建立了具基體損傷復(fù)合材料層合中厚板的彈性損傷本構(gòu)關(guān)系;然后基于Hertz接觸理論,得到考慮法向接觸力和切向接觸力同時(shí)變化時(shí)的接觸力和接觸變形關(guān)系,并據(jù)此建立了彈性小球低速斜沖擊下復(fù)合材料層合中厚板的沖擊動(dòng)力學(xué)模型。綜合運(yùn)用有限差分法、Newmark-β和迭代法,求解了低速?zèng)_擊下具損傷復(fù)合材料層合中厚板的非線性動(dòng)力響應(yīng)問(wèn)題,

4、討論了沖擊角度、沖擊速度和結(jié)構(gòu)幾何尺寸等對(duì)斜沖擊作用下復(fù)合材料層合中厚板的非線性動(dòng)力響應(yīng)和結(jié)構(gòu)損傷的影響。
　　 基于彈塑性理論,建立了一個(gè)與應(yīng)力球張量有關(guān)的正交各向異性材料的混合硬化屈服準(zhǔn)則,并根據(jù)幾何非線性理論和損傷理論,采用基于應(yīng)變描述的Hashin失效準(zhǔn)則,導(dǎo)出了層合中厚淺球殼含層內(nèi)損傷的增量型彈塑性損傷本構(gòu)關(guān)系,并運(yùn)用改進(jìn)的彈塑性接觸模型建立了系統(tǒng)的沖擊動(dòng)力學(xué)模型,在此基礎(chǔ)上建立了低速?zèng)_擊下軸對(duì)稱(chēng)正交對(duì)稱(chēng)鋪設(shè)彈塑性層合

5、中厚淺球殼的增量型非線性運(yùn)動(dòng)控制方程。在數(shù)值分析中,討論了低速?zèng)_擊下結(jié)構(gòu)內(nèi)部的損傷發(fā)展、彈塑性變形以及結(jié)構(gòu)的幾何尺寸等對(duì)結(jié)構(gòu)的非線性動(dòng)力響應(yīng)和接觸力的影響。
　　 采用適用于功能梯度淺球殼的接觸模型,建立了在剛性小球低速?zèng)_擊下具功能梯度涂層淺球殼的沖擊動(dòng)力學(xué)模型;采用基于連續(xù)體損傷理論的粘結(jié)域損傷模型建立界面損傷本構(gòu)關(guān)系,并由此得到低速?zèng)_擊下用位移分量表示的具功能梯度涂層彈性淺球殼的非線性運(yùn)動(dòng)控制方程。采用配點(diǎn)法和Newmark

6、-β方法對(duì)整個(gè)問(wèn)題進(jìn)行迭代求解。數(shù)值算例中,分析了低速?zèng)_擊下功能梯度材料指數(shù)、涂層厚度等對(duì)界面損傷的影響,并討論了界面損傷對(duì)低速?zèng)_擊下具功能梯度涂層彈性淺球殼的非線性動(dòng)力響應(yīng)和接觸力的影響。
　　 根據(jù)一維熱傳導(dǎo)方程,求解了受沿厚度變化溫度荷載作用時(shí)功能梯度淺球殼內(nèi)的溫度場(chǎng),其中考慮了功能梯度材料參數(shù)與溫度相關(guān)的特性;然后基于功能梯度結(jié)構(gòu)的二維軸對(duì)稱(chēng)接觸模型,推導(dǎo)出彈性小球與功能梯度淺球殼的接觸模型,模型中考慮了接觸過(guò)程中彈性小

7、球的變形,并由此得到功能梯度淺球殼在彈性小球低速?zèng)_擊下的沖擊動(dòng)力學(xué)模型;通過(guò)建立功能梯度中厚淺球殼的幾何關(guān)系,以及與溫度相關(guān)彈性常數(shù)沿厚度呈指數(shù)分布形式時(shí)功能梯度材料的本構(gòu)關(guān)系,從而建立了低速?zèng)_擊下用位移分量表示的軸對(duì)稱(chēng)功能梯度中厚淺球殼的非線性運(yùn)動(dòng)控制方程。對(duì)未知位移函數(shù)在空間域采用正交配點(diǎn)法離散,時(shí)間域采用Newmark-β方法離散,整個(gè)問(wèn)題采用迭代法求解。數(shù)值算例中,討論了彈性小球低速?zèng)_擊下功能梯度中厚淺球殼的非線性動(dòng)力響應(yīng)和接觸

8、力變化,以及功能梯度材料參數(shù)、溫度環(huán)境以及結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)等對(duì)沖擊接觸力和結(jié)構(gòu)非線性動(dòng)力響應(yīng)的影響。
　　 基于連續(xù)體介質(zhì)損傷理論,建立了各向異性材料的損傷本構(gòu)關(guān)系,并據(jù)此將功能梯度板分成Ⅳ層,且假設(shè)在每一單層內(nèi)功能梯度材料常數(shù)和損傷沿厚度不變化,建立了彈性模量沿厚度呈指數(shù)分布形式時(shí)功能梯度材料含面內(nèi)損傷的本構(gòu)關(guān)系;通過(guò)ABAQUS/Explicit模塊中的子程序VUMAT嵌入功能梯度材料的損傷本構(gòu)關(guān)系,并基于此進(jìn)行了低速?zèng)_擊下功能