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复合材料结构固化多物理场耦合问题的扩展逐层法

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复合材料结构固化多物理场耦合问题的扩展逐层法

作者：朱志杰中国民航大学

学位级别：硕士

热压罐成型工艺是制备高性能复合材料常用的制备技术。研究热压罐固化成型过程的多物理场耦合问题,对生产高质量热固性复合材料有重要意义。而目前的研究多集中于多物理场的解耦研究,这与真实的物理过程并不相符。因此,本文基于扩展逐层... 详细信息

热压罐成型工艺是制备高性能复合材料常用的制备技术。研究热压罐固化成型过程的多物理场耦合问题,对生产高质量热固性复合材料有重要意义。而目前的研究多集中于多物理场的解耦研究,这与真实的物理过程并不相符。因此,本文基于扩展逐层法(Extended Layer-Wise Method,XLWM),对复合材料结构固化多物理场全耦合问题展开研究,包括以下几个方面:首先,基于固化动力学模型与热力扩展逐层/三维实体单元模型,建立了考虑复合材料层合板与模具之间热-力相互作用的三维热-力-固化解耦模型。在数值算例中,利用商用有限元软件Comsol对所建立的模型进行了验证。在此基础上研究了分层损伤、横向裂纹以及构件与模具的相互作用对固化过程中温度场、固化度场以及热位移场分布的影响。接着,对含多界面分层损伤的热固性复合材料的固化过程进行了热-化学-机械-渗流(TMSC)耦合数值分析,并提出了一种TMSC全耦合求解的扩展逐层法(TMSC-XLWM)。在数值算例中,利用商用有限元软件Comsol对所提出的方法进行了验证,研究了分层损伤对复合材料层合板固化过程中TMSC四场分布的影响。最后,基于TMSC-XLW模型与商用有限元软件Comsol,建立了考虑复合材料曲面件与热流场下模具之间热传递的多物理场-热流场解耦模型。在数值算例中,利用商用有限元软件Comsol对所建立的模型进行了验证,研究了分层损伤对复合材料层合板固化过程中TMSC四场分布的影响。

关键词：热压罐成型工艺复合材料扩展逐层理论热-力-化-渗流耦合多重分层损伤

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基于均匀网格的复合材料层合板分层损伤建模

中国民航大学学报 2023年第6期41卷 50-58页

作者：钱若力李梁轶李顶河蔡舒妤中国民航大学航空工程学院天津300300

基于扩展逐层法(XLWM,extended layerwise method)、多维最大熵原理和分层前缘跟踪算法,建立了一种用于分析复合材料层合板分层损伤的均匀网格快速建模和分析方法(FUGD,fast uniform-grid delamination)。利用该方法可通过C扫描(或X射线... 详细信息

基于扩展逐层法(XLWM,extended layerwise method)、多维最大熵原理和分层前缘跟踪算法,建立了一种用于分析复合材料层合板分层损伤的均匀网格快速建模和分析方法(FUGD,fast uniform-grid delamination)。利用该方法可通过C扫描(或X射线)图像和二维均匀有限元网格快速建立分层损伤分析模型。首先,基于多维最大熵原理和扫描图像上的像素点灰度值重建分层区域,处于分层区域的有限元节点被标记为分层节点;然后,通过分层前缘跟踪算法和已标记为分层的节点精确地跟踪分层前缘;最后,以含方形、圆形、双圆形分层区域的方形层合板为例,验证该方法的有效性。

关键词：复合层层合板分层损伤扩展逐层理论最大熵原理虚拟裂纹闭合技术

含损伤热障涂层结构多物理场耦合问题的扩展逐层方法研究

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含损伤热障涂层结构多物理场耦合问题的扩展逐层方法研究

作者：麻硕中国民航大学

学位级别：硕士

热障涂层(TBCs)是一种起热防护作用的涂层结构,因其优异的物化特性,在发动机涡轮叶片结构中被广泛使用。由于结构复杂,使用环境多样,实际服役过程中的多物理场响应预测十分困难。且其损伤形式是复杂的三维裂纹,难以进行多物理场断裂问... 详细信息

热障涂层(TBCs)是一种起热防护作用的涂层结构,因其优异的物化特性,在发动机涡轮叶片结构中被广泛使用。由于结构复杂,使用环境多样,实际服役过程中的多物理场响应预测十分困难。且其损伤形式是复杂的三维裂纹,难以进行多物理场断裂问题分析。本文结合了多物理场耦合扩展逐层方法和三维实体元方法,建立了含损伤热障涂层结构多物理场耦合断裂问题分析模型,对含典型损伤形式的热障涂层结构进行多物理场断裂问题分析,主要内容包括以下三个方面:首先,基于热-力混合变分原理,推导了热-力完全耦合求解问题的三维实体元控制方程。将热-力完全耦合三维实体元方法与热-力耦合扩展逐层方法(TM-XLWM)相结合,建立了热-力耦合扩展逐层/三维实体元方法(TM-XLWM/SE)。引入扩展逐层单元的坐标变换,结合Crank-Nicolson法和Newmark法,建立了含损伤热障涂层结构的热-力耦合动态分析模型。利用商用有限元软件建立三维弹性模型验证了方法的正确性,同时分析了不同功能梯度指数,以及损伤的存在对热障涂层结构位移、温度分布的影响规律。然后,基于化-力混合变分原理,推导了化-力完全耦合求解问题的三维实体元控制方程,建立了化-力耦合扩展逐层/三维实体元方法(CM-XLWM/SE),进而建立了含损伤热障涂层结构的化-力耦合动态分析模型。通过数值算例验证了本文模型的正确性,分析了损伤对热障涂层结构位移、浓度分布的影响规律。最后,基于热-力-化混合变分原理,推导了热-力-化完全耦合求解问题的三维实体元控制方程,建立了热-力-化耦合扩展逐层/三维实体元方法(TMC-XLWM/SE),对含损伤热障涂层结构进行了热-力-化耦合动态分析。通过数值算例进行了本文模型的正确性验证,得到损伤对热障涂层结构位移、温度和浓度分布的影响规律,并研究了三场变量之间的耦合效应。

关键词：多物理场耦合分析热障涂层结构扩展逐层理论分层损伤脱粘损伤

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多层结构多物理场断裂问题扩展逐层法研究

多层结构多物理场断裂问题扩展逐层法研究

作者：单武奎中国民航大学

学位级别：硕士

多层结构(Mutilayer Structures)是一种非均匀材料,在厚度方向上具有材料性能连续变化,能适应复杂环境,且材料具有可设计性的优点,广泛应用于航空航天、机电、声光学、石油化工、核能以及生物医学等领域。同时多层结构一般服役于复杂的... 详细信息

多层结构(Mutilayer Structures)是一种非均匀材料,在厚度方向上具有材料性能连续变化,能适应复杂环境,且材料具有可设计性的优点,广泛应用于航空航天、机电、声光学、石油化工、核能以及生物医学等领域。同时多层结构一般服役于复杂的多物理场环境,并且其损伤形式是同时含界面分层和横向裂纹的复杂三维裂纹。本文拟基于扩展逐层法(Extended Layer-Wise Method,XLWM),对典型损伤模式下的多层结构的多物理场动态断裂问题进行研究,主要内容包括以下三个方面:首先,将扩展逐层法应用到含有损伤复合材料层合板的稳态热-力耦合问题上,利用一维的弱不连续函数和强不连续函数来构造层间界面的应变不连续和分层界面的位移不连续,利用标准的扩展有限元法模拟面内横向裂纹,而厚度方向的温度场利用一维准静态热传导方程求解。在数值算例中,利用经典层合板理论(CLPT),一阶剪切理论(FSDT),Reddy的逐层理论(LWT)以及三维弹性模型验证了本文模型的正确性。然后,将化(扩散)-力耦合模型引入到扩展逐层法中,研究化(扩散)-力耦合模型的准静态问题。将Crank-Nicolson法和Newmark法引入到扩展逐层有限元理论中,研究化(扩散)-力耦合的动态问题,并通过应力强度因子和能量释放率来计算和预测存在裂纹和界面损伤时的损伤扩展情况。通过数值算例,研究位移和浓度在无损伤和有损伤情况下的动态分布情况,并利用应力强度因子和能量释放率来分析了浓度动态扩展过程中的裂纹损伤情况。最后,将热-力-化(扩散)三场耦合效应引入到扩展逐层法中,研究三场耦合作用下,功能梯度材料板的动态断裂问题。在高温情况下,考虑温度对材料参数本身的影响和对粒子浓度扩散的影响,研究了损伤对位移、温度和浓度动态分布的影响规律。

关键词：多层结构扩展逐层理论热-力-化耦合横向裂纹多层分层

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功能梯度材料动态断裂问题的扩展逐层法研究

功能梯度材料动态断裂问题的扩展逐层法研究

作者：杨晓中国民航大学

学位级别：硕士

功能梯度材料(Functionally Gradient Materials,FGM)是一种非均匀材料,在厚度方向上具有材料性能连续变化、能适应复杂环境和材料可设计性的优点,目前广泛应用于航空航天、机电、声光学、石油化工、核能以及生物医学等领域。它的典型... 详细信息

功能梯度材料(Functionally Gradient Materials,FGM)是一种非均匀材料,在厚度方向上具有材料性能连续变化、能适应复杂环境和材料可设计性的优点,目前广泛应用于航空航天、机电、声光学、石油化工、核能以及生物医学等领域。它的典型损伤形态是具有层间分层和横向裂纹的复杂三维裂纹。本文基于扩展逐层理论(Extended Layerwise Method,XLWM),对典型损伤模式下的功能梯度材料板壳结构的动态断裂力学问题进行了研究,主要包括以下三个方面的内容:首先,将扩展逐层理论应用于分析含损伤FGM的静力学问题,利用厚度方向的位移假设和面内位移假设,构造出含多层分层和横向裂纹的位移场,建立了FGM板静力学控制方程。通过数值算例,研究位移与应力在厚度方向上分布的规律,将本文结果与文献和商用软件计算结果进行对比,验证了该方法的正确性。然后,将中心差分法及Newmark法引入扩展逐层理论中,应用于分析含损伤功能梯度材料板壳结构的自由振动以及瞬态响应问题。通过数值算例,研究梯度指数n、裂纹长度、分层数量、分层位置等因素对系统固有频率及中心挠度的影响。将本文结果与文献以及商用软件结果进行对比,验证了该方法的正确性。最后,将离散损伤模型(Discrete Damage Zone Model,DDZM)引入扩展逐层理论中,解决了含损伤功能梯度材料板受压时,损伤处两侧的材料发生接触后的嵌入问题。建立了基于离散损伤模型的含损伤FGM板的控制方程。通过数值算例,研究了含损伤FGM板的静态以及动态断裂问题。

关键词：功能梯度材料扩展逐层理论 Newmark法中心差分法离散损伤模型