碳纤维金属层板有限元建模与实验研究及疲劳寿命预报

论文摘要

CFMLs是碳纤维金属层板,即Carbon Fiber Metal Laminates的简称。纤维金属层板(FMLs)的优良性能使其在波音777和空客A380的机翼和机身结构上已经大量地应用,先进复合材料在飞机上应用的部位和用量的多少已成为衡量飞机结构先进性的重要指标之一。我国对早期的纤维金属层板结构设计与制造工艺有一定的研究,对新一代FMLs结构的研究尚处于起步阶段,为满足我国大飞机自主设计与制造的需要,必须开展新一代FMLs结构设计和制造技术的研究。纤维金属层板一般通过增强纤维、胶、金属三者交替铺设后热压成形,在这个过程中,层板中会产生热残余应力,而热残余应力大小与分布对纤维金属层板的力学性能有着重要影响。有限元法是目前在实践中比较成熟的数值方法,恰当的使用有限元法会得到较高精度的结果。理论法能对研究结果在数值上进行精确描述,实验法能最真实的反映研究结果;而有限元法比理论方法更简单实用;比实验方法更省时省力。所以,使用有限元法对碳纤维金属层板的热残余应力、拉伸强度、疲劳寿命进行研究有重要的理论及实际意义。本文用界面元单元模拟各层材料的粘接面,在ABAQUS/Standar环境下建立碳纤维金属层板拉伸模型,通过拉伸实验对该模型有效性进行验证后,使用该模型研究了拉伸试件标距长度、过渡圆角半径对碳纤维金属层板拉伸强度的影响,并研究了标距长度、过渡圆角半径对试件断裂位置的影响。在ABAQUS/Explicit环境下建立碳纤维金属层板热应力模型,对层板热成型过程进行模拟,分析了碳纤维金属层板中热残余应力的分布。基于损伤度理论,使用实验与理论相结合的方法,通过实验结果拟合出碳纤维金属层板在不同应力比下疲劳寿命的预估公式,所得结果与实验吻合较好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.1.1 纤维金属层板的特点
• 1.1.2 纤维金属层板的发展
• 1.2 国内外纤维金属层板研究现状
• 1.2.1 纤维金属层板失效强度研究现状
• 1.2.2 纤维金属层板的疲劳寿命研究现状
• 1.2.3 纤维金属层板界面模拟方法
• 1.3 论文主要研究内容
• 1.4 课题来源
• 第2章 含温度变化的CFML 有限元建模研究
• 2.1 有限元方法简介
• 2.1.1 有限元方法形成及其优点
• 2.1.2 有限元方法分析过程
• 2.1.3 ABAQUS 软件性能简介
• 2.2 碳纤维金属层板拉伸模型
• 2.2.1 胶层单元的选择
• 2.2.2 增强纤维板的模拟
• 2.2.3 材料属性中破坏起始判据和扩展判据的定义
• 2.2.4 网格划分与约束
• 2.2.5 加载方式
• 2.2.6 边界条件及分析步的确定
• 2.3 热残余应力有限元模型
• 2.3.1 加热载荷方式比较
• 2.3.2 试件热残余应力分布
• 2.3.3 加热温度对热残余应力影响
• 2.4 本章小结
• 第3章 碳纤维金属层板实验研究
• 3.1 层合板试件制备与实验条件
• 3.1.1 基本实验条件
• 3.1.2 层板制备过程简介
• 3.2 拉伸试件尺寸对断裂位置的影响
• 3.2.1 应力最大点的选择
• 3.2.2 断裂位置的判定
• 3.2.3 圆角大小和标距长度对试件断裂位置的影响
• 3.3 本章小结
• 第4章 碳纤维金属层板拉伸强度影响因素
• 4.1 板拉伸模型准确性验证
• 4.1.1 层板整体受力的选取
• 4.1.2 模型的对称简化
• 4.1.3 拉伸强度结果对比
• 4.2 铝合金拉伸强度和试件尺寸对层板拉伸强度的影响
• 4.2.1 纤维金属层板断裂机理
• 4.2.2 铝合金拉伸强度对层板拉伸强度的影响
• 4.2.3 试件尺寸对层板拉伸强度的影响
• 4.3 本章小结
• 第5章 CFMLs 疲劳寿命预报模型修正
• 5.1 有应力集中试件的疲劳寿命预报模型简介
• 5.2 应力比和热残余应力修正
• 5.3 参数确定
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢