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复合材料桁条受压渐近失效过程研究.pdf

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复合材料 受压 渐近 失效 过程 研究
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中 图 分 类 号 : V221 论 文 编 号 : 10006SY0705132 硕 士 学 位 论 文 复 合 材 料 桁 条 受 压 渐 近 失 效 过 程 研 究 作 者 姓 名 田 野 学 科 专 业 飞 行 器 设 计 指 导 教 师 武 哲 教 授 培 养 院 系 航 空 科 学 与 工 程 学 院Compressive Failure Behaviour of Composite Stringer A Dissertation Submitted for the Degree of Master Candidate: Tian Ye Supervisor: Prof. Wu Zhe School of Aeronautic Science & Engineering Beihang University, Beijing, China 中 图 分 类 号 : V221 论 文 编 号 : 10006SY0705132 硕 士 学 位 论 文 复 合 材 料 桁 条 受 压 渐 进 失 效 过 程 研 究 作 者 姓 名 田 野 申 请 学 位 级 别 工 学 硕 士 指 导 教 师 姓 名 武 哲 职 称 教 授 学 科 专 业 飞 行 器 设 计 研 究 方 向 飞 行 器 总 体 设 计 学 习 时 间 自 2007 年 09 月 15 日 起 至 2010 年 01 月 30 日 止 论 文 提 交 日 期 2009 年 12 月 31 日 论 文 答 辩 日 期 2009 年 01 月 10 日 学 位 授 予 单 位 北 京 航 空 航 天 大 学 学 位 授 予 日 期 年 月 日 关 于 学 位 论 文 的 独 创 性 声 明 本 人 郑 重 声 明 : 所 呈 交 的 论 文 是 本 人 在 指 导 教 师 指 导 下 独 立 进 行 研 究 工 作 所 取 得 的成 果 , 论 文 中 有 关 资 料 和 数 据 是 实 事 求 是 的 。 尽 我 所 知 , 除 文 中 已 经 加 以 标 注 和 致 谢 外 ,本 论 文 不 包 含 其 他 人 已 经 发 表 或 撰 写 的 研 究 成 果 , 也 不 包 含 本 人 或 他 人 为 获 得 北 京 航 空航 天 大 学 或 其 它 教 育 机 构 的 学 位 或 学 历 证 书 而 使 用 过 的 材 料 。 与 我 一 同 工 作 的 同 志 对 研究 所 做 的 任 何 贡 献 均 已 在 论 文 中 作 出 了 明 确 的 说 明 。 若 有 不 实 之 处 , 本 人 愿 意 承 担 相 关 法 律 责 任 。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 日 期 : 年 月 日 学 位 论 文 使 用 授 权 书 本 人 完 全 同 意 北 京 航 空 航 天 大 学 有 权 使 用 本 学 位 论 文 ( 包 括 但 不 限 于 其 印 刷 版 和 电子 版 ) , 使 用 方 式 包 括 但 不 限 于 : 保 留 学 位 论 文 , 按 规 定 向 国 家 有 关 部 门 ( 机 构 ) 送 交学 位 论 文 , 以 学 术 交 流 为 目 的 赠 送 和 交 换 学 位 论 文 , 允 许 学 位 论 文 被 查 阅 、 借 阅 和 复 印 ,将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检 索 , 采 用 影 印 、 缩 印 或 其 他 复 制 手段 保 存 学 位 论 文 。 保 密 学 位 论 文 在 解 密 后 的 使 用 授 权 同 上 。 学 位 论 文 作 者 签 名 : 日 期 : 年 月 日 指 导 教 师 签 名 : 日 期 : 年 月 日北 京 航 空 航 天 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要 随 着 复 合 材 料 在 航 空 领 域 的 大 量 使 用 , 寻 求 可 靠 的 方 法 研 究 复 合 材 料 结 构 的 失 效 过程 , 预 测 材 料 性 能 变 化 并 指 导 结 构 设 计 显 得 尤 为 重 要 。 复 合 材 料 破 坏 的 过 程 是 渐 进 累 积的 , 初 始 的 潜 在 损 伤 逐 渐 扩 展 造 成 结 构 的 最 终 失 效 。 本 文 针 对 复 合 材 料 结 构 损 伤 预 测 ,基 于 已 有 研 究 , 发 展 了 复 合 材 料 渐 进 失 效 分 析 方 法 。 利 用 不 同 的 失 效 准 则 , 包 括Chang&Lessard失 效 准 则 和 Hashin失 效 准 则 , 预 测 复 合 材 料 结 构 力 学 性 能 的 失 效 过 程 。根 据 失 效 准 则 预 测 的 失 效 模 式 , 建 立 了 相 应 的 材 料 退 化 模 型 。 基 于 商 用 有 限 元 软 件ABAQUS 平 台 , 搭 建 渐 进 失 效 分 析 模 型 , 并 实 现 对 层 压 复 合 材 料 结 构 从 初 始 加 载 到 最 终失 效 过 程 的 损 伤 和 剩 余 强 度 估 算 。 两 个 基 准 示 例 验 证 了 模 型 的 可 行 性 和 正 确 性 , 矩 形 层合 板 失 稳 分 析 和 开 孔 层 合 板 逐 渐 破 坏 失 效 分 析 , 仿 真 结 果 与 文 献 实 验 结 果 吻 合 较 好 。 针对 复 合 材 料 桁 条 进 行 失 稳 分 析 和 渐 进 失 效 分 析 , ESDU 数 据 表 软 件 用 于 失 稳 载 荷 的 初 始估 算 , 计 算 结 果 与 有 限 元 特 征 值 失 稳 分 析 进 行 比 较 。 利 用 本 文 建 立 的 渐 进 失 效 模 型 预 测了 开 孔 桁 条 的 逐 渐 累 积 损 伤 破 坏 过 程 , 包 括 对 损 伤 扩 展 规 律 、 损 伤 模 式 及 最 终 破 坏 载 荷的 估 算 , 并 研 究 了 不 同 失 效 准 则 及 材 料 退 化 模 型 对 损 伤 估 算 的 影 响 。 针 对 含 金 属 衬 套 加强 的 开 孔 桁 条 利 用 TIE约 束 研 究 衬 套 对 桁 条 力 学 性 能 的 影 响 , 通 过 逐 渐 累 积 损 伤 分 析 表明 金 属 衬 套 有 效 地 推 迟 了 复 合 材 料 初 始 损 伤 ( 第 一 层 失 效 ) 的 发 生 。 关 键 词 : 复 合 材 料 桁 条 , 渐 进 失 效 分 析 , ESDU03001, 特 征 值 失 稳 分 析 1 摘 要 Abstract With the increasing application of composite material, it is important to understand the failure behaviour of composite structure using reliable methodology and to well estimate the composite material properties to guide the structure design. Fracture in composite tends to be progressive with substantial damage widely dispersed through material. In this thesis, a progressive failure methodology is investigated for predicting the damage of composite structures. Several failure criteria, including Chang and Lessard’s criteria and Hashin’s criteria, are applied to predict the failure mechanism. Material degradation model is built up according to the failure modes indicated in failure criteria. Progressive failure analysis method is implemented in ABAQUS commercial finite element software and the model can estimate the damage and residual strength of the laminated composite from initial loading to final analytical failure load. Two benchmark cases are studied, including buckling analysis of a rectangular composite panel and progressive failure analysis of a composite panel with a central hole. Good correlations are obtained between numerical results and previous experimental data. Buckling analysis and progressive failure analysis of composite stringers are also conducted. ESDU data sheet is applied to compare with eigenvalue buckling results. Comparable results are obtained. Progressive failure behaviour of composite stringers with holes is well estimated, including the prediction of initial failure and damage propagation. Two failure criteria accompany with various degradation models are implemented for comparative study, valuable results are obtained. The effect of hole reinforcement is also studied using the Tie-constraint between Ti bushes and composite stringer holes, which indicates the metal bushes help to postpone the occurrence of initial failure (first ply failure) effectively. Key words: Composite Stringer, Progressive failure analysis, ESDU03001, Eigenvalue buckling analysis 2 北 京 航 空 航 天 大 学 硕 士 论 文 目 录 第 一 章 绪 论 .............................................................. 1 1.1 工 程 背 景 ..........................................................................................................................1 1.2 国 内 外 研 究 现 状 ..............................................................................................................2 1.2.1 失 效 分 析 ......................................................................................................................................2 1.2.2 材 料 退 化 模 型 ...............................................................................................................................9 1.2.3 累 进 损 伤 破 坏 模 型 ......................................................................................................................11 1.3 本 文 研 究 目 的 及 内 容 ....................................................................................................15 第 二 章 复 合 材 料 的 非 线 性 有 限 元 分 析 ....................................... 17 2.1 复 合 材 料 有 限 元 分 析 介 绍 ............................................................................................17 2.1.1 复 合 材 料 的 经 典 分 析 和 有 限 元 分 析 .........................................................................................17 2.1.2 本 构 方 程 ....................................................................................................................................17 2.1.3 单 元 选 择 ....................................................................................................................................19 2.1.4 层 合 板 理 论 .................................................................................................................................20 2.2 复 合 材 料 的 非 线 性 分 析 ................................................................................................22 第 三 章 基 于 ABAQUS逐 渐 破 坏 损 伤 分 析 技 术 ................................... 24 3.1 逐 渐 破 坏 损 伤 分 析 方 法 与 步 骤 ....................................................................................24 3.2 损 伤 产 生 ........................................................................................................................24 3.2.1 Hashin失 效 准 则 ..........................................................................................................................24 3.2.2 Chang&Lessard失 效 准 则 ............................................................................................................26 3.3 损 伤 破 坏 模 型 ................................................................................................................27 3.3.1 材 料 退 化 规 律 .............................................................................................................................27 3.3.2 重 建 平 衡 方 程 .............................................................................................................................28 3.4 基 于 ABAQUS的 渐 进 失 效 模 型 建 立 ............................................................................28 第 四 章 算 例 分 析 ......................................................... 31 4.1 矩 形 层 合 板 的 失 稳 分 析 ................................................................................................31 4.1.1 问 题 描 述 ....................................................................................................................................31 4.1.2 有 限 元 模 型 .................................................................................................................................31 4.1.3 计 算 结 果 和 分 析 .........................................................................................................................32 4.2 开 孔 层 合 板 渐 进 失 效 分 析 ............................................................................................33 4.2.1 问 题 描 述 ....................................................................................................................................33 4.2.2 有 限 元 模 型 .................................................................................................................................34 4.2.3 计 算 结 果 和 分 析 .........................................................................................................................35 第 五 章 复 合 材 料 桁 条 的 累 进 失 效 分 析 ....................................... 41 i目 录 5.1 问 题 描 述 ........................................................................................................................41 5.2 有 限 元 模 型 ....................................................................................................................44 5.2.1 模 型 简 化 ....................................................................................................................................44 5.2.2 材 料 属 性 ....................................................................................................................................46 5.2.3 边 界 条 件 ....................................................................................................................................48 5.2.4 网 格 划 分 ....................................................................................................................................50 5.3 结 果 及 分 析 ....................................................................................................................53 5.3.1 失 稳 分 析 ....................................................................................................................................53 5.3.2 开 孔 复 合 材 料 桁 条 的 渐 进 失 效 研 究 .........................................................................................56 5.3.3 金 属 衬 套 加 强 的 作 用 .................................................................................................................59 第 六 章 结 论 与 展 望 ....................................................... 65 6.1 结 论 ................................................................................................................................65 6.2 展 望 ................................................................................................................................65 参 考 文 献 ................................................................ 67 附 录 .................................................................. 70 A USDFLD子 程 序 .......................................................... 70 A.1 CHANG AND LESSARD失 效 准 则 .....................................................................................70 A.1.1 无 纤 维 失 效 模 式 .........................................................................................................................70 A.1.2 含 纤 维 失 效 模 式 .........................................................................................................................71 A.2 HASHIN失 效 准 则 ...........................................................................................................72 B ESDU数 据 表 输 入 及 输 出 文 件 .............................................. 74 B.1 STRINGERBUCKLING.LAM输 入 文 件 ................................................................................74 B.2 STRINGERBUCKLING.PGD输 入 文 件 ................................................................................74 B.3输 出 文 件 ........................................................................................................................74 攻 读 硕 士 学 位 期 间 取 得 的 学 术 成 果 .......................................... 76 致 谢 ................................................................ 77 ii北 京 航 空 航 天 大 学 硕 士 论 文 第 一 章 绪 论 1.1 工 程 背 景 近 年 来 复 合 材 料 结 构 在 航 空 工 业 的 运 用 迅 速 扩 展 。 从 初 始 验 证 机 的 辅 助 结 构 到 新 近研 发 的 创 新 性 主 结 构 设 计 , 复 合 材 料 结 构 凭 借 其 高 强 度 、 高 刚 度 、 轻 质 的 特 点 , 以 及 根据 要 求 可 进 行 刚 度 和 强 度 剪 裁 设 计 等 优 势 , 越 来 越 受 到 工 程 设 计 领 域 的 青 睐 。 回 顾 航 空发 展 史 , 复 合 材 料 首 先 应 用 在 了 A310的 垂 直 安 定 面 翼 盒 上 , A320的 水 平 安 定 面 及 飞 行操 纵 面 也 都 使 用 了 复 合 材 料 。 随 后 大 量 的 碳 纤 维 增 强 复 合 材 料 运 用 在 飞 机 结 构 上 面 , 例如 A330、 A340 和 A380[3]。 波 音 公 司 和 空 中 客 车 公 司 相 互 竞 争 , 争 相 拓 展 复 合 材 料 的 使用 来 获 得 市 场 优 势 。 波 音 787 的 复 合 材 料 结 构 重 量 约 占 飞 机 总 重 的 50%[4], 空 客 A350也 在 设 计 全 新 的 复 合 材 料 机 翼 并 计 划 在 机 身 结 构 中 尝 试 拓 宽 复 合 材 料 的 应 用 领 域 [3]。 复 合 材 料 的 设 计 和 分 析 的 方 法 根 据 已 有 的 实 验 数 据 总 结 归 纳 获 得 , 现 阶 段 还 是 处 于验 证 和 修 改 的 过 程 当 中 。 与 金 属 结 构 的 延 展 性 不 同 , 大 多 数 复 合 材 料 有 易 脆 性 , 结 构 失效 前 几 乎 没 有 任 何 明 显 的 可 视 征 兆 [1]。 层 压 复 合 材 料 的 铺 层 方 式 和 几 何 尺 寸 对 结 构 破 坏性 能 有 重 要 影 响 。 层 压 复 合 材 料 失 效 方 式 包 括 基 体 开 裂 , 纤 维 断 裂 , 同 层 内 基 体 /纤 维 分离 和 引 起 局 部 失 效 破 坏 的 层 间 分 层 [5]。 复 合 材 料 的 破 坏 是 渐 进 的 , 潜 在 的 损 伤 逐 渐 扩 散导 致 最 后 结 构 完 全 失 效 [6]。 因 此 利 用 可 靠 方 法 研 究 复 合 材 料 结 构 的 破 坏 行 为 显 得 尤 为 重要 , 最 后 达 到 估 算 复 合 材 料 性 能 指 导 复 合 材 料 结 构 设 计 的 目 的 。 在 机 翼 结 构 设 计 中 桁 条 ( Stringer) 用 来 支 撑 机 翼 蒙 皮 ( Skin) 有 助 于 载 荷 的 重 新 分布 。 一 般 来 说 机 翼 的 临 界 载 荷 是 沿 升 力 方 向 的 剪 力 ( Shear force) 和 使 机 翼 向 上 弯 曲 的弯 矩 ( Bending moment) , 如 图 1所 示 [7]。 机 翼 上 蒙 皮 壁 板 承 压 力 载 荷 , 下 蒙 皮 壁 板 承 拉伸 载 荷 。 因 此 对 复 合 材 料 桁 条 在 拉 压 载 荷 下 逐 渐 破 坏 的 研 究 就 十 分 必 要 , 本 文 主 要 针 对桁 条 受 压 工 况 展 开 分 析 研 究 。 图 2 [7] 描 述 机 翼 上 蒙 皮 壁 板 受 压 的 结 构 示 意 图 。 一 般 来 说 单 根 桁 条 及 相 应 有 效 蒙 皮 作为 结 构 代 表 单 元 用 来 进 行 屈 曲 分 析 和 静 力 分 析 。 由 于 复 合 材 料 的 铺 层 特 性 , 层 压 复 合 材料 的 破 坏 是 逐 渐 产 生 的 。 1第 一 章 绪 论 Shear Force Bending Moment 图 1 机 翼 临 界 承 载 示 意 图 Stringer Skin 图 2 机 翼 上 蒙 皮 壁 板 受 压 结 构 示 意 图 有 时 由 于 设 计 需 要 复 合 材 料 桁 条 开 孔 是 不 可 避 免 的 , 因 此 开 孔 采 用 加 强 措 施 来 降 低应 力 集 中 系 数 。 在 辐 板 上 的 开 孔 对 桁 条 力 学 性 能 的 影 响 已 被 研 究 , 同 时 将 开 孔 利 用 FTI技 术 进 行 衬 套 加 强 , 研 究 衬 套 加 强 对 结 构 破 坏 预 测 的 影 响 也 是 另 一 个 在 研 方 向 [8]。 1.2 国 内 外 研 究 现 状 1.2.1 失 效 分 析 复 合 材 料 结 构 初 始 损 伤 定 义 为 在 层 合 板 内 任 意 单 层 出 现 破 坏 , 结 构 极 限 失 效 是 由 于破 坏 的 积 累 和 扩 散 产 生 的 。 选 择 合 适 的 破 坏 准 则 能 有 效 预 测 层 合 板 失 效 的 发 生 。 复 合 材料 结 构 失 效 形 式 多 样 , 失 效 模 式 取 决 于 结 构 试 件 的 几 何 外 形 , 铺 层 方 式 和 预 定 载 荷 。 不同 的 失 效 准 则 包 含 不 同 的 失 效 模 式 , 大 多 数 准 则 以 单 层 的 应 力 状 态 判 断 结 构 失 效 与 否 。材 料 属 性 退 化 模 型 建 立 在 所 选 失 效 准 则 上 。 一 旦 发 现 损 伤 , 对 应 失 效 模 式 的 材 料 属 性 就根 据 已 建 立 的 材 料 退 化 模 型 进 行 退 化 降 级 。 这 种 逐 渐 失 效 模 型 是 研 究 复 合 材 料 失 效 的 有效 方 法 , 本 文 着 重 介 绍 研 究 层 压 复 合 材 料 受 压 逐 渐 损 伤 破 坏 的 情 况 。 2
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