柔性复合材料结构在热固化过程中的力学行为研究

论文摘要

柔性复合材料结构是一种可折叠、展开的新型结构,其主要结构材料是纤维增强复合材料。纤维增强复合材料的固化过程中伴随着树脂的固化收缩及纤维、树脂的热胀冷缩,这会导致复合材料产生固化残余应力,残余应力对材料机械及老化性能有显著影响。本文对单向纤维增强复合材料在降温制备过程中产生的残余应力进行了研究。首先,本文建立了残余应力实验测试系统和单向纤维增强复合材料热残余应力分析的有限元模型,对单向纤维复合材料的固化残余应力进行了有限元分析和实验研究,并对分析结果和实验结果进行了对比分析,结果表明有限元分析结果与实验结果是一致的,表明本文所建立的有限元模型是正确可靠的。同时,比较说明,树脂的固化收缩所引起的残余应力是较小的,在一定的条件下可忽略不计。本文研究了固化温度、增强材料弹性模量、基体材料弹性模量、纤维体积含量等对复合材料热固化残余应力的影响规律,结果表明,固化温度对纤维增强复合材料的固化残余应力影响显著,固化温度越高,复合材料产生的残余应力越大;纤维和树脂的弹性模量对纤维增强复合材料的固化残余应力的影响相同:弹性模量越大,复合材料中产生的残余应力越大;纤维体积含量越大,复合材料产生的残余应力越大;碳纤维增强复合材料产生的残余应力大于芳纶纤维产生的残余应力。本文分析了可刚化充气展开支撑管在不同固化温度下产生的残余应力对其振动特性的影响,结果表明,固化温度越高产生的残余应力越大,残余应力越大振动基频越高,无残余应力的支撑管振动基频最低。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 热残余应力失效问题
• 1.2.2 复合材料残余应力测试技术
• 1.2.3 复合材料残余应力理论分析与数值分析
• 1.3 课题主要研究内容
• 第2章 单向纤维复合材料固化残余应力实验研究
• 2.1 引言
• 2.2 实验原理
• 2.3 实验研究
• 2.3.1 实验方案
• 2.3.2 试件制备
• 2.3.3 测量实验
• 2.4 单向纤维复合材料残余应力测量结果与讨论
• 2.4.1 固化温度对复合材料残余应力影响
• 2.4.2 纤维性能对复合材料残余应力影响
• 2.4.3 纤维体积含量对复合材料残余应力影响
• 2.5 本章小结
• 第3章 复合材料残余应力分析有限元建模
• 3.1 引言
• 3.2 热弹性理论
• 3.3 单向复合材料热应力分析
• 3.3.1 热-力载荷作用下单向复合材料应力计算
• 3.3.2 热载荷作用下单向复合材料应力计算
• 3.4 单向纤维复合材料热残余应力分析有限元建模
• 3.4.1 热残余应力有限元分析基本方程
• 3.4.2 有限元模型的建立
• 3.5 有限元模型的实验验证
• 3.5.1 不同固化温度下残余应力分析结果验证
• 3.5.2 不同体积含量残余应力分析结果验证
• 3.6 本章小结
• 第4章 复合材料热残余应力分析
• 4.1 引言
• 4.2 温度对残余应力影响分析
• 4.3 树脂材料对残余应力影响分析
• 4.4 纤维材料对残余应力影响分析
• 4.5 增强材料体积含量对残余应力影响分析
• 4.6 残余应力对充气展开支撑管结构振动特性影响分析
• 4.7 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