二维机织复合材料层合板疲劳寿命预测方法

论文摘要

从20世纪60年代以来,先进复合材料特别是先进树脂基复合材料以其独有的特性在全球获得迅速的发展,已成为现代航空航天重要的材料之一,二维机织复合材料在航空航天等领域亦有着广泛应用。本文的目的是将基于单层板理论的逐渐累积损伤疲劳寿命预测方法,推广用于二维机织复合材料层合板的疲劳寿命预测,发展建立了二维机织复合材料层合板的疲劳寿命预测方法。本文围绕二维机织缎纹复合材料层合板的设计制备、疲劳性能试验以及疲劳寿命预测开展研究,主要开展了四个方面的工作:（1）将基于单层板理论的、单向纤维增强复合材料层合板疲劳寿命预测方法的基本思想推广用于二维机织复合材料层合板的疲劳寿命预测,建立了基于单层板理论的二维机织复合材料层合板的逐渐累积损伤疲劳寿命预测方法。针对疲劳加载过程,推导了结构在疲劳载荷作用下的逐渐损伤应力分析三维有限元列式,建立了相应的三维有限元分析模型。文中将所建立的疲劳寿命预测方法用于预测铺层方式为[（0,90）/（±45）/（0,90）/（±45）/（0,90）]S和[（0,90）/（±45）/（±45）/（0,90）]S二维机织缎纹复合材料层合板的疲劳寿命与损伤扩展,与试验结果对比表明,本文所建立的疲劳寿命预测方法效果良好。（2）基于单向纤维增强复合材料层合板的疲劳失效判定准则和材料性能突然退化方式,考虑到双向单层板在两个方向均有纤维增强的特点,发展了二维机织复合材料层合板的拉-拉疲劳失效判定准则和材料性能突然退化方式,并将其引入所建立的逐渐累积损伤疲劳寿命预测方法。（3）分别对铺层方式为[（0,90）]10和[（±45）]10的二维机织缎纹单层板试样拉伸静载力学性能及拉-拉疲劳性能进行了试验研究。通过对试验数据的最小二乘拟合,获得了其各主方向的拉-拉疲劳等寿命预测模型以及相应的剩余刚度退化模型和剩余强度退化模型表达式。（4）在ANSYS有限元分析软件平台上,利用其自带的APDL参数化设计语言,开发了二维机织复合材料结构的三维逐渐损伤有限元分析疲劳寿命预测软件,并实现了有限元分析模型的参数化建模。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景、研究目的及意义
• 1.2 国内外发展状况
• 1.2.1 二维机织复合材料成型工艺的发展现状
• 1.2.2 复合材料疲劳性能研究现状
• 1.3 疲劳失效判定准则与材料性能的退化
• 1.3.1 疲劳失效判定准则
• 1.3.2 逐渐累积损伤过程中材料性能的退化
• 1.4 存在的问题与解决方案
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第二章 二维机织复合材料层合板疲劳寿命预测方法
• 2.1 引言
• 2.2 疲劳加载过程应力分析
• 2.3 疲劳失效判定方法
• 2.4 疲劳累积损伤过程中材料性能退化方法
• 2.4.1 材料力学性能的突然退化方法
• 2.4.2 材料力学性能的逐渐退化方法
• 2.5 疲劳寿命预测分析程序设计
• 2.5.1 疲劳寿命预测程序中的假设
• 2.5.2 疲劳寿命预测分析程序
• 2.6 本章小结
• 第三章 二维机织缎纹单层板疲劳性能试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 双向单层板力学试验用试件的设计及制备
• 3.2.1 试验用双向单层板板材的设计及制备
• 3.2.2 双向单层板试验试样类别及几何尺寸
• 3.3 试验条件及准备
• 3.3.1 试验设备与环境
• 3.3.2 测试方法
• 3.3.3 自制缎纹织物复合材料单层板的力学性能
• 3.4 双向单层板疲劳性能试验研究
• 3.4.1 试验方法
• 3.4.2 双向单层板1 方向拉伸试验
• 3.4.3 双向单层板面内剪切试验
• 3.5 本章小结
• 第四章 二维机织缎纹复合材料层合板疲劳性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 二维机织复合材料层合板试件的设计及制备
• 4.2.1 二维机织复合材料层合板板材的设计及制备
• 4.2.2 二维机织复合材料层合板试样类别及几何尺寸
• 4.3 二维机织复合材料层合板疲劳性能试验研究
• 4.3.1 试验方法
• 4.3.2 6 号板疲劳性能试验研究
• 4.3.3 9 号板疲劳性能试验研究
• 4.4 二维机织复合材料层合板拉-拉疲劳算例分析与试验验证
• 4.4.1 二维机织复合材料层合板拉-拉疲劳寿命预测
• 4.4.2 二维机织复合材料层合板疲劳逐渐累积损伤分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 全文总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 对今后工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 在攻读硕士学位期间发表的主要论文
• 附录