考虑分散性的复合材料板弹性力学响应研究

作     者：张安达 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郑津洋;马利

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：纤维增强复合材料 宏观弹性模量 分散性 结构响应 模态分析 

摘      要：纤维增强复合材料相比于传统材料具有绿色环保、比强度和比刚度更高以及可设计性良好等优点,在航空航天、海洋船舶、新能源汽车等领域有着较好的应用前景。但复合材料的制造工艺十分复杂,由于环境温湿度、纤维预应力、固化温度等因素的变化,会使得纤维增强复合材料制品的宏观弹性模量存在一定的分散性,并导致其服役性能也存在一定的分散性。目前国内外对分散性的研究主要是采用改进材料制备工艺、缺陷修复等手段来减少复合材料的性能分散,但分散性不可能被根除,并且国际上少有关于分散性对复合材料结构响应影响的研究。力学性能的分散性是影响复合材料产品质量的首要因素,但运用目前一般的复合材料力学方法去计算结构响应,所得结果只是一种理想值,不能真实反映结构的力学行为及其服役性能的分布情况。本文考虑了材料性能的不均匀性及其随机分布,并将这种随机分布模型植入有限元动力程序,则每进行一次动力响应计算都相当于一次虚拟测试,从而在设计阶段即可预测宏观弹性模量不均匀性对复合材料制成品力学响应的影响,获得结构响应的上、下限,在原材料质量分布和制成品力学性能之间建立量化关系,是实现纤维增强复合材料结构力学性能控制的关键手段,本文的具体工作如下:1)由于弹性模量分散性是影响复合材料弹性力学响应的主要因素,故本文基于中心极限定理,提出了弹性模量分散性的具体表征公式,并将其引入弹性三维有限元理论,建立了复合材料宏观弹性模量分散性与有限元综合的混合模型,开发了相应的有限元动力学程序,初步构建了正交各向异性复合材料板弹性力学响应的虚拟测试方法。2)从局部响应的角度讨论了弹性模量分散性对复合材料板服役性能的影响:当考虑分散性后,正四边形的复合材料板中心挠度的峰值变化不大而面内位移却显著增加,此时传统复合板理论中性层面内位移可以被忽略的假设不再成立。3)从整体响应的角度讨论了分散性的影响:发现弹性模量的分散性会导致板的挠度响应在局部区域显著扭曲,是复合材料板局部出现翘曲和扭曲变形的来源,使得复合材料结构发生局部失效的风险显著增加。4)模态分析表明,纤维弹性模量的分散性使得纤维增强复合材料板的模态振型从整体连续均匀变形变为局部集中突变,从频域角度解释了挠度等值线局部显著扭曲的现象。