纤维金属层压板的应力集中与疲劳裂纹扩展研究

论文摘要

纤维金属层压板是一种新型的航空结构材料,由金属薄片和纤维增强环氧树脂层交替铺层粘结而成。其具有结构减重和优异的力学性能等主要优点,且在飞机机身结构的应用上有着巨大的潜力。由于几何开口在飞机结构中不可避免,缺口剩余强度和损伤容限是纤维金属层压板研究的重要问题。本文通过理论分析和数值模拟,对含孔纤维金属层压板的应力集中问题以及含中心裂纹的疲劳裂纹扩展问题进行了研究,主要包括以下内容:1.集中分析了纤维金属层压板的力学性质。与金属材料和传统复合材料相比,纤维金属层压板在静力学、疲劳裂纹扩展、抗冲击、抗火焰、抗腐蚀等方面具有更加突出的优势。2.通过对复合材料层板刚度矩阵的简化,提出等效刚度比的概念,并研究了应力集中系数与等效刚度比之间的内在关系,得出含不同形式椭圆孔的纤维金属层压板应力集中系数随等效刚度比的线性变化规律。3.基于复合材料的层裂判断准则和金属的疲劳裂纹扩展规律,通过对有限元软件二次开发建立考虑分层下的纤维金属层压板疲劳裂纹扩展模型,分析了纤维金属层压板的疲劳裂纹扩展并与试验结果取得较好的吻合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究历史及现状
• 1.2.1 缺口研究现状
• 1.2.2 断裂力学研究现状
• 1.2.3 纤维金属层压板的发展及研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 第二章 纤维金属层压板的力学性质
• 2.1 引言
• 2.2 静力学特性
• 2.2.1 拉伸性能
• 2.2.2 压缩性能
• 2.2.3 面内剪切性能
• 2.3 承载性能
• 2.4 阻裂性能
• 2.5 缺口剩余强度
• 2.6 疲劳性能
• 2.7 冲击性能
• 2.8 抗腐蚀性
• 2.9 总结
• 第三章 纤维金属层压板的应力集中分析
• 3.1 引言
• 3.2 层合板的基本理论
• 3.2.1 单层的应力应变关系
• 3.2.2 层压板的应力应变关系
• 3.2.3 单层与层板总体的应力关系
• 3.2.4 等效刚度比
• 3.2.5 应力集中系数的定义
• 3.3 数值模拟
• 3.3.1 几何参数的定义
• 3.3.2 有限元建模及分析
• 3.4 计算结果
• 3.4.1 有限元计算结果的验证
• 3.4.2 沿板宽度方向的应力分布
• 3.4.3 沿角度方向的应力分布
• 3.4.4 应力集中系数随等效刚度比的变化规律
• 3.4.5 不同椭圆孔的应力集中系数
• 3.4.6 应力集中系数计算公式
• 3.5 结论
• 第四章 纤维金属层压板的疲劳裂纹扩展
• 4.1 引言
• 4.2 分析计算过程
• 4.2.1 金属层应力强度因子的计算方法
• 4.2.2 层压板的层裂问题
• 4.2.3 计算裂纹扩展
• 4.2.4 计算模型示意图
• 4.2.5 有限元建模及分析
• 4.3 计算结果
• 4.3.1 层裂
• 4.3.2 疲劳裂纹扩展率
• 4.4 总结
• 第五章 全文总结与展望
• 5.1 全文总结
• 5.2 进一步研究工作的展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文