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计及纤维交叉起伏影响的缠绕复合材料力学性能研究

【摘要】:纤维缠绕复合材料在缠绕成型过程中,存在一种特殊情况,正在缠绕的纤维束与已经缠绕的纤维束在局部相互交叉,形成纤维束交叉起伏,造成局部应变和应力集中,同时也导致如孔洞、富树脂区等缺陷,从而使得该区域往往成为断裂萌生的发源地,对缠绕复合材料结构的失效(泄漏)、破坏造成较大的影响。本文考虑纤维交叉起伏情况,针对缠绕复合材料结构损伤、失效和破坏问题,开展以下几个方面的研究:纤维缠绕复合材料结构弹性性能预测,缠绕复合材料特征单元应力与失效破坏分析,薄壁缠绕结构的屈曲分析,缠绕复合材料结构的失效破坏分析,缠绕复合材料固化过程以及残余应力分析。本文的主要工作和研究成果如下:1.针对缠绕复合材料交叉起伏区域,运用纤维束起伏角、富树脂区域尺寸、纤维束的体积分数、纤维束的横截面形状及尺寸等细观参数来描述缠绕复合材料交叉起伏区域的细观结构。基于所建立的细观模型及层合板理论,提出了缠绕复合材料交叉起伏区域的等效刚度计算方法。计算结果表明,纤维交叉起伏区域中各处纤维和基体的体积分数不同,导致起伏区域中各处的弹性性能参数不同,在富树脂区域,弹性模量和剪切模量降低较为明显,而泊松比有所增大。2.基于所建立的纤维交叉起伏区域分析模型,构造缠绕复合材料特征单元细观结构,再引入周期性边界条件与损伤失效准则和刚度缩减模型,建立缠绕复合材料特征单元应力与失效破坏有限元分析计算模型。通过有限元模拟计算,研究了特征单元中应力分布、纤维交叉起伏造成的应力集中情况、缠绕复合材料的损伤失效过程以及不同载荷情况下缠绕复合材料破坏强度。计算结果表明:纤维交叉起伏造成整个特征单元内应力分布不均,纤维交叉区域中应力和应力集中系数较大,纤维和树脂基体的损伤都起源于纤维交叉区域。3.考虑纤维交叉起伏现象,建立纤维缠绕圆柱壳屈曲有限元分析模型,研究圆柱壳的屈曲载荷随缠绕角、厚径比、长径比等参数的变化情况,并分析讨论纤维交叉起伏对圆柱壳屈曲性能的影响。计算结果表明:缠绕复合材料圆柱壳的屈曲临界载荷与屈曲模态与缠绕角、长径比、缠绕层数有很大的关系。在一些特定的情况下,比如缠绕角在[10°-30°]范围、长径比较小或者缠绕层数增加时,纤维交叉起伏对屈曲临界载荷有明显的影响。4.建立计及纤维交叉起伏对缠绕复合材料失效破坏影响的宏-细观分析模型。基本分析步骤为:先将缠绕复合材料分为两个区域,即纤维交叉起伏区域和层合区域,分析缠绕结构的宏观应力应变分布;再针对纤维交叉起伏区域,计算其宏-细观应力应变转换矩阵,将宏观应力通过应力应变转换矩阵,转换为纤维交叉起伏区域的细观应力;然后利用层合区域的宏观应力确定层合区域失效情况以及破坏过程,利用所得到的纤维交叉起伏区域细观应力分析判断纤维交叉起伏区域的失效破坏过程。基于该宏细观分析模型,编写UMAT子程序,通过数值计算,研究纤维交叉起伏对缠绕复合材料应力应变分布、失效过程以及破坏强度的影响。5.通过数值模拟计算,研究了缠绕圆筒、压力容器,不同载荷(轴向拉伸/压缩、内压、外压、横向压缩)情况下的失效破坏。计算结果表明;纤维交叉起伏使得缠绕复合材料的应力应变分布不均,在拉伸、压缩以及内压载荷下,纤维交叉起伏区域的环向、轴向应变都要明显大于层合区域的应变。纤维交叉起伏的存在使得缠绕复合材料结构的强度降低。不同载荷情况下,缠绕结构的失效破坏过程有所不同,在轴向拉伸和内压载荷情况下,纤维交叉起伏区域的基体先失效破坏,随后基体失效逐渐向层合区域扩展;而在轴向压缩情况下,当缠绕角度小于45°时,基体失效只发生在螺旋向纤维交叉起伏区域;当缠绕角度大于55°时,基体失效只发生在环向纤维交叉起伏区域。6.利用傅里叶热传导方程、基体的固化动力学方程,考虑复合材料在固化过程中热学力学性能的变化情况以及基体的固化收缩,建立缠绕复合材料结构的固化工艺以及残余应力应变分析模型。基于所建立的计算模型,采用FORTRAN语言编写子程序UMAT、UEXPAN和HETVAL分别描述复合材料固化过程中力学本构模型、固化过程中复合材料的热化学应变和基体固化反应放热,研究缠绕复合材料固化过程中产生的残余应力。通过计算得出以下结果;固化工艺温度对温度场和缠绕结构的固化度有显著的影响;缠绕结构中的残余应力与缠绕角度、缠绕层数以及缠绕层厚度有很大关系;纤维交叉起伏对残余应力的影响可以忽略不计。

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