复合材料整体加筋壁板的失效分析

论文摘要

复合材料加筋壁板是航空工程中应用比较广泛的典型结构细节,本文在前人工作基础上主要开展了以下几方面的研究工作:1、对基于内聚力模型（CZM）的界面元进行了介绍,分别采用二次名义应力强度准则和混合型能量释放率准则来预测内聚单元的损伤起始与破坏过程。分别对DCB、ENF实验进行有限元模拟,并与实验结果进行对比,验证了采用基于内聚力模型的界面元模拟复合材料分层损伤的可行性。2、基于Z-pin细观力学模型,在有限元软件ABAQUS中通过子程序UMAT编写材料本构关系,通过材料刚度的衰减来模拟Z-pin拔出过程。3、对T型结构的筋条/蒙皮的连接部位进行了破坏分析,并与试验结果进行比较。在此基础上分析了Z-pin对T型接头承载能力的影响。由于筋条和蒙皮之间的三角区在成型过程中树脂与纤维不能完全填充其中,所以在成型中增加单向带进行强化。首先分析了添加单向带所起的作用,选择适当的单向带,而后对筋条的腹板与凸缘过渡区半径进行了参数化设计。最后分析了初始损伤尺寸对结构承载能力的影响。4、分析了压缩载荷下加筋板结构屈曲、分层及筋条端头斜削区对结构承载能力的影响。5、对压缩载荷下的加筋壁板结构进行了分析,讨论了不同载荷对结构的屈曲模态的影响。建立了加筋壁板结构分析的Shell-Solid模型,并对含初始损伤的筋壁板结构进行了分析,研究了压缩载荷下初始损伤对结构屈曲与分层扩展的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 复合材料结构的整体化设计
• 1.2 分层问题研究现状
• 1.2.1 虚拟裂纹闭合技术
• 1.2.2 基于内聚力模型（Cohesive Zone Model）的界面元方法
• 1.2.3 抗分层问题的研究
• 1.3 本文的主要工作
• 第二章 基于内聚力模型的界面元及其应用
• 2.1 内聚单元
• 2.2 分层起始与扩展准则
• 2.2.1 强度准则
• 2.2.2 能量释放率准则
• 2.2.3 判据扩充
• 2.3 有限元模拟
• 2.3.1 DCB 试件
• 2.3.2 ENF 试件
• 2.4 内聚单元密度对计算结果的影响
• 2.5 本章小结
• 第三章 Z-pin 增强复合材料的有限元模拟
• 3.1 Z-pin 的细观力学模型
• 3.2 UMAT 子程序
• 3.2.1 用户子程序接口
• 3.2.2 UMAT 子程序流程
• 3.2.3 UMAT 子程序的实现
• 3.3 算例验证
• 3.3.1 算例1
• 3.4 本章小结
• 第四章 复合材料T 型接头的有限元分析
• 4.1 复合材料层合板三维有效弹性模量分析
• 4.2 试验概述
• 4.3 有限元模拟
• 4.4 Z-pin 增强分析
• 4.5 参数分析
• 4.5.1 模型选择
• 4.5.2 三角区填充材料对结构承载能力的影响
• 4.5.3 多层内聚单元模型
• 4.5.4 模型的参数化设计
• 4.6 界面脱胶分析
• 4.7 小结
• 第五章 复合材料加筋板筋条斜削区的失效分析
• 5.1 复合材料加筋板的屈曲方程和分层判据
• 5.1.1 复合材料加筋板的屈曲方程
• 5.1.2 分层判据
• 5.2 实验概述
• 5.3 有限元模拟
• 5.4 斜削区影响分析
• 5.5 拉伸载荷情况
• 5.6 本章小节
• 第六章 整体加筋板的屈曲分析
• 6.1 模型概述
• 6.2 加筋板的屈曲模态
• 6.3 不同屈曲模态的承载能力分析
• 6.4 Shell-Solid 模型
• 6.4.1 建立模型
• 6.4.2 有限元分析
• 6.4.3 带初始损伤模型分析
• 6.5 本章小节
• 第七章 总结
• 7.1 本文主要结论
• 7.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间研究成果及发表的学术论文