聚合物基织物芯输送带损伤分析及剩余强度可靠性研究

作     者：杨正茂 

作者单位：太原科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：孟文俊

授予年度：2015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）] 080502[工学-材料学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：输送带 聚合物基复合材料 粘弹性 非线性行为 损伤 剩余极限强度 可靠性分析 

摘      要：输送带作为带式输送机上的牵引构件和承载构件,是带式输送机最重要的组成部分。聚合物基织物芯输送带是一种特殊的复合材料,具有非均匀性、多组分性、分层性和各向异性等特点。在微观尺度上,它是组份材料的复合,结构特征明显;在宏观尺度上,它又是复合材料的进一步复合的层合结构;同时,在其加工和使用过程中极易出现损伤。损伤将使其力学性能劣化、寿命降低,因此对输送带结构力学性能的研究,离不开对其损伤过程的分析。输送带的损伤呈现多尺度、多阶段、多模式的特点,相对于各向同性材料和一般的均质各向异性材料而言,对其损伤及损伤演化机制的研究要复杂和困难的多。因此,根据输送带与其层合结构的真实状态,对其力学性能分析和破坏机理进行研究,既对聚合物基复合材料抗冲击性能的评估及损伤预测十分重要,又具有很强的工程意义和应用价值。本文首先阐述了聚合物基复合材料的线性粘弹性本构关系。然后考虑聚合物基复合材料在冲击载荷作用下的织物纤维断裂、基体开裂、织物纤维与基体脱离和分层四种损伤模式,由实体单元模拟基体损伤,由内聚力模型CZM进行预测分层损伤,应用材料子程序VUMAT将聚合物基织物芯输送带损伤准则及损伤后的材料演化规律植入到ABAQUS有限元计算程序中,得到了聚合物基织物芯输送带在冲击载荷下的损伤,将预测结果与实验结果进行比较,发现两者相吻合,验证了计算模型、子程序和损伤准则的正确性。通过用户自定义场变量程序USDFLD和VUMAT,将渐进损伤方法植入到ABAQUS有限元计算程序中,模拟了含孔洞聚合物基织物芯输送带的剩余拉伸极限强度问题。结合有限元数值计算和正交试验设计方法求得了含损伤的聚合物基织物芯输送带剩余极限强度响应样本。使用BP神经网络技术对剩余极限强度响应进行拟合,获得了剩余极限强度关于输送带力学性能参数和其结构几何参数的显式表达式,对含损伤的聚合物基织物输送带进行了基于FOSM的可靠性分析。使用矩阵微分技术,进一步推导出了各个材料属性参数和其结构几何参数对含损伤的聚合物基织物输送带极限强度可靠度的敏度。基于集合理论凸方法中的凸模型方法,推导出其非概率可靠性指标。利用支持向量机技术得到了含损伤的聚合物基织物输送带剩余极限强度关于输送带不确定性参数的显式表达式,进而计算出此含损伤的聚合物基织物输送带的非概率可靠度。