纤维增强复合材料残余应力测试技术研究

论文摘要

残余应力的存在对材料、结构的疲劳强度和使用寿命等性能有很大的影响,残余应力的大小、方向和分布随材料的制造、加工或处理方法不同而有很大的随机性,国内外对残余应力的研究主要采用实验方法。近年来,材料科学的发展,使得复合材料在现代工程中的应用越来越广泛,其中以纤维增强材料应用最广、用量最大。它比重小、强度高和模量大,在航天航空、汽车工业及医学领域等有着不可替代的优势。复合材料是由两种或两种以上不同物质以一定方式组合而成的。虽然具有单一材料不具有的优势,但在加工过程中,各个方向的收缩性能不一致,固化结束后,内部将存在残余应力,导致构件的强度降低、疲劳乃至破坏,造成更大的损失,复合材料的残余应力不容忽视。因此,准确测量复合材料构件残余应力具有重要的工程意义。测量残余应力的方法多种多样,钻孔法、切槽法和移层法等机械测量方法,属于有损测试法,对构件造成一定的破坏,但方法成熟,精度较高;X射线衍射法、中子法等物理测量方法,虽然无损构件,但只能局限于各向同性的均匀的结晶型材料,且设备昂贵,难以普及。钻孔法发展较成熟,是广泛应用的残余应力的测试方法之一。它操作简单,测量精度高,对构件破坏程度小。本文在钻孔法的基础上提出了结合光弹贴片技术来检测复合材料残余应力,并采用计算机图象处理技术,提取孔边的光弹条纹,根据各向异性弹性理论和残余应力释放准则计算出被测点的残余应力。此方法简便易行,准确度高,直观性强,且具有全局性,可有效地测量复合材料残余应力。本文详细阐述光弹性法检测残余应力的测量原理及测量方法,并以增强聚丙烯和碳/环氧复合材料为例,实测各向同性材料和正交各向异性材料的残余应力,取得了比较满意的结果,同时采用有限元进行数值模拟,并与实验数据进行对比分析。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 残余应力测量方法介绍
• 1.2 国内外研究进展
• 1.3 本课题的提出及研究意义
• 第2章 理论基础
• 2.1 光弹性原理
• 2.2 光弹贴片的应力分析
• 2.3 光弹贴片法检测各向同性材料残余应力原理
• 2.4 光弹贴片法检测正交各向异性材料残余应力原理
• 第3章 实验及数据处理
• 3.1 实验方法简介
• 3.1.1 材料力学性能参数的测定
• 3.1.2 贴片材料的应变条纹值测定
• 3.1.3 残余应力测量
• 3.2 实验过程
• 3.2.1 实验材料准备及仪器简介
• 3.2.2 实验操作步骤
• 3.3 数字图像处理
• 3.4 数值计算结果
• 3.4.1 实验材料参数
• 3.4.2 残余应力的计算结果
• 第4章 ANSYS 有限元分析
• 4.1 ANSYS 简介
• 4.2 模型建立与分析
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 硕士期间发表的论文