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《南京航空航天大学》 2011年
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含薄弱环节复合材料圆管轴向吸能特性研究

黄建城  
【摘要】:随着复合材料制造技术的发展,碳纤维复合材料开始广泛应用于航空航天和汽车工业,以满足碰撞安全性和轻量化的设计要求,因而其碰撞缓冲吸能特性成为了国内外学者关注的焦点。本文采用试验和数值模拟相结合的方法,对碳纤维复合材料圆管的吸能特性进行了系统的研究,并对影响复合材料结构吸能能力的关键因素——薄弱环节进行了比较深入的探讨。本文的主要研究内容如下: (1)设计并制作了三种应用于复合材料圆管的新型薄弱环节,即内倒角、花冠型和端部开缝薄弱环节。通过准静态轴向压溃试验研究了这些薄弱环节对复合材料圆管耐撞性的影响,并将试验结果与不含薄弱环节及含外倒角薄弱环节的试验结果进行对比,以评估这些薄弱环节的引发效能。 (2)基于Ni-Ti形状记忆合金(SMA)丝的形状记忆效应,提出了两种应用于复合材料圆管的新型SMA薄弱环节,即卡箍式SMA薄弱环节和交叉缠绕SMA薄弱环节,并通过准静态轴向压溃试验研究了SMA薄弱环节对复合材料圆管耐撞性的影响。研究表明,这两种SMA薄弱环节不仅能有效引发稳定渐进的破坏模式,而且能显著提高复合材料圆管的能量吸收能力。 (3)以1/4圆管、1/2圆管和3/4圆管为研究对象,通过准静态轴向压溃试验,研究了边界约束对复合材料圆管吸能特性的影响;同时,基于1/4圆管的压溃试验数据,提出了一种用于预报1/2圆管或完整圆管吸能能力的半经验分析方法。 (4)以含外倒角薄弱环节的复合材料圆管为例,提出了基于理想弹塑性模型进行耐撞性设计分析的方法,并给出了等效参数的确定策略。采用该数值模拟策略,能够以较少的计算量来预报复合材料圆管的耐撞性能,并使得在普通的计算机上进行全尺度复合材料飞行器结构的耐撞性设计分析成为可能。 (5)基于Chang-Chang失效准则,在LS-DYNA中建立了用于模拟复合材料圆管中面分层破坏的双层壳有限元模型,提出了外倒角薄弱环节和端部开缝薄弱环节的建模策略,确定了MAT_054复合材料损伤模型的失效参数。采用该有限元模型和模拟策略,能够较好地预报复合材料圆管的破坏模式和吸能能力。 在此基础上,对全文的主要工作、创新与贡献进行了概括和总结,并指出了论文的不足之处及今后的努力方向。 本文的研究得到了国家自然科学基金(项目编号:50675100)的资助。
【学位授予单位】:南京航空航天大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TB332

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【参考文献】
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