開孔AS4-PEEK熱塑性復合材料層合板層間應力的數(shù)值分析及實驗研究.pdf

1、本文利用三維彈塑性有限元方法研究了開孔熱塑性復合材料AS4/PEEK層合板層間應力的分布特點，并將結果與數(shù)字散斑相關試驗方法所得到的結果進行了對比，以驗證有限元方法結果的可靠性。具體來講，主要包括以下幾方面的內容：
　　 首先利用三維彈塑性有限元研究了開孔的熱塑性復合材料AS4/PEEK層合板的層間應力分布特征。計算采用大型有限元軟件ANSYS9.0來實現(xiàn)。由于此種類型的復合材料在軟件中并無相應的材料模型，為此利用試驗結果擬合的

2、方法建立了適合于AS4/PEEK的塑性材料本構模型，并將簡單層板的計算結果與試驗結果進行了對比，證明了模型的合理性。然后對幾種形式的層合板進行了計算：首先是薄的對稱角鋪設開孔層合板[±θ]s層間應力分布的特征。在此基礎上，又討論了兩種典型的厚層合板[±25]s4和[0/±45/90]2s在開孔情況下的層間應力分布特征。分析了鋪設角、鋪層位置對層間應力的影響，以及各種情況下自由邊界效應的特點。計算結果顯示：
　　 1.在所分析模型

3、中，無論何種鋪設形式，自由邊緣效應都是明顯存在的。而且厚板相對于薄板，一般自由邊緣效應更明顯一些。
　　 2.對含孔層合板，孔邊的自由邊緣效應相應于兩個自由邊界更為明顯，層間應力的最大值一般出現(xiàn)在孔邊或其附近。
　　 3.由于材料鋪設角度影響，層間應力的最大值一般不在最小橫截面(即模型中x=0所對應的橫截面)上，而是根據鋪設角度的不同有一個偏移量。
　　 4.所有的層間應力都具有關于孔中心對稱的特點。
　　

4、 5.對于[±25]s4鋪設、含中心孔的層合板，層間應力的自由邊緣效應具有以下特點：當上下層的材料主軸方向一致時，自由邊緣效應表現(xiàn)為較大的層間正應力；當材料主軸方向角符號相反時，自由邊緣效應則表現(xiàn)為較大的層間切應力。這種鋪設的層合板還有一個重要的特點就是，在自由邊界處，層間切應力在最小橫截面與自由邊界的交線上等于零或近似等于零；而在孔邊，則是在縱向平面(xoy平面)與孔邊交線上層間切應力等于零或近似等于零。
　　 6.對[0/

5、±45/90]2s鋪設的開孔準各向同性層合板，其層間應力的自由邊緣效應具有以下特點：在90/-45及0/90層間，層間正應力的自由邊緣效應較為明顯；在-45/45和45/0層間切應力的自由邊緣效應較為明顯。
　　 7.自由邊緣效應對于層間正應力和切應力具有所謂的“互補性”，即如果某一層間層間正應力較小的話，則層間切應力就會比較大，反之亦然。
　　 其次，借助于目前科學研究領域常用的軟件Matlab編寫了一套進行散斑相關計

6、算的程序。本程序能夠進行完整的散斑圖的前處理、散斑相關計算和后處理等功能。具體來講，做了以下工作：
　　 1.編制了散斑相關計算的前處理程序，包括：多幅散斑圖平均的處理；散斑圖的剪裁(通過剪裁變形前的散斑圖，得到和變形后散斑圖相對應的區(qū)域，使散斑搜索能夠實現(xiàn))。
　　 2.編制了散斑相關計算程序：包括初搜索程序和精細搜索程序兩個部分。初搜索程序提供了兩種算法進行整數(shù)像素的搜索；而精細搜索算法在初搜索的基礎上，利用優(yōu)化算法

7、來尋找亞像素級的匹配點。
　　 3.編制了散斑的后處理程序，包括位移場的平滑及應變場的求解。
　　 4.對算法的有效性進行了驗證，提出了對剛體轉動修正的參考方法。
　　 5.為提高計算速度，利用Matlab提供的分布式計算引擎，在局域網實現(xiàn)了并行散斑相關計算。
　　 最后利用數(shù)字散斑相關方法研究了開孔AS4/PEEK層合板的孔邊及附近微區(qū)的應變集中現(xiàn)象。由于孔邊是應變的高梯度區(qū)，而層合板側面應變分布十分復

8、雜，單純采用普通散斑相關方法很難精確進行測量。針對這種情況，研究中采用了三種分辨率的放大鏡頭來采集散斑圖像。其中，放大倍數(shù)低的散斑圖用來確定應變的集中區(qū)，而放大倍數(shù)高的散斑圖像則用來確定應變集中區(qū)的應變數(shù)值。由以上的實驗結果以及與有限元計算結果的對比，可以得到如下結論：
　　 1.以上的實驗研究證實，采用不同放大倍數(shù)的放大鏡頭采集散斑圖，從而實現(xiàn)高應變梯度微區(qū)及復雜應變微區(qū)的應變分布測量是可行的。
　　 2.一般來講，可

9、以利用放大倍數(shù)較大的鏡頭來測量應變集中的部位，而對于應變較小的部位則可以用小放大倍數(shù)的鏡頭來測量。
　　 3.提高鏡頭的放大倍數(shù)，會同時增大原散斑場的散斑顆粒，降低對比度。所以，用放大倍數(shù)較大的鏡頭進行測量時，需要制備更精細的散斑。
　　 4.由于散斑法本身固有的缺點，采用低放大率的CCD鏡頭不能測量到孔邊緣處的應變分布。這時通過提高鏡頭的放大倍數(shù)，可以使測量結果更接近孔邊緣。
　　 5.通過將散斑相關方法和有限