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复合材料力学性能实验及云纹干涉法现场测试技术研究

邬柱  
【摘要】:复合材料是近二十年发展起来的一种重要的新型结构用材料。由于复合材料的种类、形式繁多,性质复杂,因此,对复合材料力学规律的研究十分艰巨而重要。云纹干涉法以其全场、实时、高灵敏度等特点,正在成为研究复合材料的重要实验手段。 本文从对云纹干涉法理论分析入手,针对各种因素可能导致面内位移测量误差这一实际问题,设计了光栅补偿装置及光路布置系统,达到了精确,定量补偿面内位移和应变的目的,并以光的干涉理论观点给予了严格证明。 目前,云纹干涉法基本上被限制于实验室应用之中,对于大量的工程实际问题尚不能发挥出它的潜在优势。本文研究了云纹干涉法现场复制变形光栅的工艺,并具体分析了工艺实现过程中可能遇到的各种问题的解决途径。以光矢量分析和光的干涉原理为依据,研究了变形信息的多种准确提取方法,实现了现场复制技术与实验室测量的有机结合,使得云纹干涉法的潜能在工程实际中充分地发挥出来。 作为现场复制变形光栅技术的一个重要应用,本文研究了混杂材料ARALL和GLALL层板的表面铝合金层Ⅰ型裂纹的疲劳扩展,得到了用于评定裂纹扩展准则的COD和J积分以及它们之间的对应关系。从对裂纹尖端场的应变分析和能量分析的原则出发,阐述了裂纹稳定扩展的机理。 作为复制变形光栅技术的另一成功应用,研究了复合材料的固化残余层间剪切应力及其与外部载荷而引起的应力的叠加效应,并与云纹干涉法实时观测的方法进行了对照。 本文运用云纹干涉法的全场、高灵敏度的特点,研究了Kevlar49/环氧复合材料的压缩破坏的全过程,分析了几种破坏形式的产生机理。 本文结合实验中所遇到的复合材料的具体问题,运用云纹干涉法与有限元相结合的混合方法,研究了混合位移边界和局部全位移边界两类问题,通过与单一实验方法和有限元方法的对照,分析了误差的大小及产生原因,并得到了实验方法所无法得到的结论。 基于混合法的有效性,本文讨论了混合法求解结构刚度系数和应力状态这一有限元方法的反问题,对于几类典型问题,给出了具体的求解方案。 以上工作所得到的结论无论是对云纹干涉法实验技术的发展还是对复合材料力学规律的认识都将具有重要的意义。


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