具有金屬內(nèi)襯復合材料纏繞結(jié)構成型和使用過程的一體化分析.pdf

1、具有金屬內(nèi)襯的復合材料纖維纏繞結(jié)構以其比強度和比剛度高，抗疲勞、抗震、耐腐蝕和密封性能好以及結(jié)構的可設計性等諸多優(yōu)點而被廣泛地應用于航天、航空、汽車、造船、化工、機械、建筑和能源等各個工程部門。該結(jié)構成型過程一般需經(jīng)歷纏繞、固化和超壓三個工藝階段，此三個工藝階段在成型過程中是連續(xù)的，各階段的工藝參數(shù)都將會對結(jié)構的最終使用性能和承載能力帶來重要的影響，為此，該文對上述結(jié)構的成型和使用過程進行一體化分析和研究。同時由于該結(jié)構在制造和使用中都

2、不可避免地受到外來物的低速沖擊，由試驗結(jié)果和使用經(jīng)驗結(jié)果表明，在結(jié)構內(nèi)部將會產(chǎn)生一類目視不可測損傷，譬如：樹脂開裂和分層破壞等等，導致結(jié)構承載能力的顯著降低，故在該文中還開展了低速沖擊下該結(jié)構的損傷萌生和演化以及沖擊后含損傷結(jié)構的剩余承載能力研究。 論文的主要內(nèi)容： (1)提出溫度參數(shù)法和一種虛-實結(jié)合、逐層實化的有限元分析策略，對復合材料纏繞結(jié)構的纏繞張力引起的自平衡應力場進行了仿真分析。同時此分析策略與迭代搜索方法相

3、結(jié)合能實現(xiàn)纏繞結(jié)構等張力場要求的反問題的求解。 (2)采用以平方收斂的newton-Raphson格式的軸對稱時-空有限元法，實現(xiàn)了對復合材料纏繞結(jié)構的固化成型工藝全過程中溫度和固化度的分布及其變化規(guī)律的數(shù)值模擬研究。同時對復合材料纏繞結(jié)構進行了固化全過程的應力場分析，并應用Chang-Chang破壞準則成功判別了在固化過程中結(jié)構內(nèi)的損傷情況。 (3)基于Hellinger-Reissner廣義變分原理，提出了分析復合材

4、料纏繞殼結(jié)構過程應力場的混合狀態(tài)Hamilton元半解析法，建立了纏繞結(jié)構的內(nèi)、外表面狀態(tài)變量之間的關系。在數(shù)值模擬過程中，采用了傳遞矩陣技術和逐步精細積分法求解纏繞結(jié)構內(nèi)、外表面狀態(tài)變量未知量的方程。該方法大大地提高了應力分析(尤其是層間應力分析)的精度。 (4)采用彈塑性有限元法對具有金屬內(nèi)襯的復合材料纖維纏繞結(jié)構進行了超壓工藝的分析。通過對結(jié)構在服役前施加適當?shù)某瑝褐?，使結(jié)構中金屬內(nèi)襯進入硬化塑性階段而保持一種合理的壓縮殘

5、余應力場，從而在工作狀態(tài)下，能夠降低結(jié)構的金屬內(nèi)襯內(nèi)的應力水平，同時，還能將載荷合理地轉(zhuǎn)移到復合材料纖維纏繞層中，以充分發(fā)揮復合材料纖維的高強度性能，從而較大地提高整體結(jié)構的承載能力。 (5)使用基于低速沖擊動力學理論的有限元分析方法分別研究了在空載和滿載下具有金屬內(nèi)襯的復合材料纖維纏繞容器的低速沖擊損傷行為。在分析過程中，考慮了幾何和材料非線性、摩擦和接觸等效應，并采用復合材料層合結(jié)構的損傷準則和剛度折減的方法，對損傷擴展的形