含分层损伤先进复合材料格栅加筋板结构裂纹起裂和扩展过程的仿真研究

论文摘要

本论文旨在建立在压缩荷载下先进复合材料格栅加筋板结构（AGS）后屈曲阶段的分层起裂和扩展过程的数值模拟方法。在论文中，作者首先基于一阶剪切变形理论和Von-Karman几何非线性关系，提出了AGS结构后屈曲有限元分析模型；其次，采用总能量释放率准则，并利用虚裂纹闭合法（VCCT）及自适应网格的生成和移动技术分析了分层损伤的扩展过程，在分析过程中考虑了分层前缘的接触效应；最后，应用OpenGL实现了分层损伤的起裂和扩展动态可视化过程。论文还以典型AGS结构为例，讨论了格栅构型、蒙皮铺层方式、分层位置和大小以及加强筋的刚度对分层起裂和扩展特征的影响，通过参数研究得到如下结论：含分层损伤复合材料格栅加筋板（AGS）的分层扩展特性是十分复杂的，其格栅加筋型式、分层位置和大小、蒙皮铺设方式以及蒙皮和肋骨的刚度比等因素都密切相关。（1）等三角形格栅加筋板结构具有比四边形正交格栅加筋结构更高的抗分层能力。（2）分层半径尺寸较大的板出现分层扩展较早，同时也较快地进入不稳定阶段。（3）蒙皮的铺层方式对分层扩展有明显的影响。（4）提高肋骨刚度，可提高分层扩展的初始应变和最终应变值。但当肋骨刚度达到某一值时（临界刚度），继续增加肋骨刚度将再不可能进一步提高板的抗分层起裂和扩展能力。（5）通过对格栅加筋型式、分层位置和大小、蒙皮铺设方式以及蒙皮和肋骨的刚度比等参数的优化设计，提高AGS结构的抗分层起裂和扩展能力。（6）本文提出的方法和所得结论对AGS结构的承载能力预测将具有参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 0 引言
• 0.1 AGS结构的发展史
• 0.2 AGS结构的应用
• 0.3 AGS结构的优缺点
• 0.4 国内外研究概况
• 0.4.1 含损伤复合材料层合板的屈曲和分层扩展研究概况
• 0.4.2 含损伤复合材料加筋板的屈曲和分层扩展研究概况
• 0.5 本文的研究工作
• 1 含损伤AGS结构后屈曲分析的有限元方法
• 1.1 基本假定
• 1.2 蒙皮的有限元列式
• 1.2.1 蒙皮的几何关系
• 1.2.2 层合蒙皮的本构关系
• 1.2.3 层合蒙皮的坐标插值函数
• 1.2.4 层合蒙皮的单元切线刚度阵
• 1.3 肋骨的有限元列式
• 1.3.1 肋骨的几何关系
• 1.3.2 层合肋骨的本构关系
• 1.3.3 层合肋骨的坐标插值函数
• 1.3.4 层合肋骨的单元切线刚度阵
• 1.4 肋骨的坐标转换
• 1.5 层合板单元拟合壳体结构时的坐标转换
• 1.6 AGS结构的有限元列式
• 1.7 分层损伤前缘变形协调模型
• 1.8 含损伤AGS结构后屈曲分析的策略
• 2 分层扩展准则和自适应网格移动技术
• 2.1 分层扩展准则
• 2.1.1 直接计算法
• 2.1.2 裂纹闭合技术
• 2.1.3 总能量释放率准则
• 2.2 自适应网格移动技术
• 3 基于OpenGL的分层扩展过程动态显示
• 3.1 OpenGL简介
• 3.2 OpenGL建模
• 3.2.1 齐次坐标
• 3.2.2 点
• 3.2.3 线
• 3.2.4 多边形
• 3.2.5 绘制图元
• 3.3 OpenGL变换
• 3.3.1 几何变换
• 3.3.2 投影变换
• 3.3.3 裁剪变换
• 3.3.4 视口变换
• 3.4 帧缓存和动画
• 3.4.1 帧缓存
• 3.4.2 动画
• 3.5 AGS结构裂纹扩展过程显示
• 3.5.1 建立文件步骤及格式
• 3.5.2 开启深度绘制较好的方式
• 3.5.3 颜色的设置方法
• 4 四边形正交格栅加筋板起裂和扩展过程
• 4.1 分层圆心与肋骨的距离对分层起裂和扩展过程的影响
• 4.2 蒙皮铺层方式对分层起裂和扩展过程的影响
• 4.3 图形显示的结果
• 5 等三角形格栅加筋板起裂和扩展过程
• 5.1 格栅加筋型式对抗分层起裂和扩展能力的影响
• 5.2 分层尺寸对扩展过程的影响
• 5.3 肋骨的高度对扩展过程的影响
• 5.4 结论
• 结论和展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢