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压电智能复合材料/结构界面断裂研究

王亮  
【摘要】:压电智能复合材料在航空航天、土木工程、船舶、车辆工程等领域获得了广泛的应用。随着复合材料技术的不断进步,人们可以将压电传感元件、驱动元件等通过表面粘贴或内部深埋等方式植入复合材料结构中,使得压电智能复合材料结构的基本元件与复合材料基体的融合或集成成为可能,为复合材料结构的健康检测和主动控制技术提供了广阔的发展前景。但是,在实际工程应用中,当压电材料与基体复合材料结合时,由于在连接界面上两者材料性质的不匹配,诸如杨氏系数、抗拉强度、延性与韧性等具有高度的差异性或不连续性,特别是在力电耦合载荷作用下,会导致界面产生很高的界面应力。而在制造或随后的服役过程中,结合界面常产生一些微小瑕疵而形成的微小裂纹,极有可能在随后的工程应用过程中产生一个宏观裂纹,最终将导致整个压电智能复合材料结构的功能失效。 本论文以压电智能复合材料/结构为研究对象,其中被控复合材料为纤维增强树脂基复合材料,采用理论、实验和数值分析相结合的方法,建立了压电智能复合材料梁界面断裂解析模型,提出了测量界面断裂韧性的实验方法,发展研究压电智能复合材料结构的界面损伤起裂、扩展和失效分析的有限元方法。通过典型复合材料智能结构,对静态条件下压电智能复合材料的物理与几何性质、力电耦合行为对界面起裂和脱胶扩展行为的影响进行了分析,讨论了界面相材料黏弹性、低能量冲击载荷等动态条件下压电复合材料界面起裂特征。另外,还对表面粘贴分布式压电驱动器的复合材料加筋板的分层屈曲和脱粘扩展控制进行了数值分析研究。本文的主要研究内容有: 1.基于Timoshenko梁理论提出了一个压电复合材料梁界面断裂分析模型,考虑胶层和剪力的影响,用来分析表面粘贴压电驱动器的复合材料梁的界面断裂问题,得到了界面剥离应力σ、剪切应力τ及能量释放率GⅠ和GⅡ的闭合解,该闭合解能有效的反映材料、几何构型和裂纹尖端的轴力、弯矩和横向剪力的组合特征,并分析讨论了典型压电复合材料梁几何构型和胶层性质对界面起裂行为的影响。 2.组建了数字化压电复合材料FRMM静态断裂实验系统,观察和研究了压电材料与复合材料粘结界面脱胶扩展过程,讨论了不同胶粘剂对压电复合材料界面断裂特征的影响,通过数字图像相关方法得到了脱胶扩展过程的位移场和应变场分布和扩展路径,并采用梁理论计算其界面断裂韧性。随后,为了进一步验证FRMM实验得到界面韧性的有效性,组建了表面粘贴压电陶瓷驱动器的复合材料悬臂梁实验系统,并和有限元结果进行了对比。基于实验测得的界面断裂韧性,采用三维有限元模型结合虚裂纹闭合技术,对驱动电压作用下压电复合材料梁的界面脱胶扩展进行了数值分析,并对脱胶前缘各型能量释放率分布进行了讨论。 3.对动态条件下压电复合材料梁界面断裂行为进行了数值分析。首先,基于界面层断裂力学方法建立了一个含有黏弹性胶层的三相材料模型,并且讨论了准静态条件下胶层黏弹性对压电复合材料梁界面断裂的影响。然后,对力电耦合的低能量冲击载荷作用下压电复合材料梁界面裂纹的动态能量释放率进行了分析,讨论了压电效应、裂纹前缘接触、压电材料阻尼、正负驱动电压和铺层形式对界面动态断裂的影响。 4.对表面粘贴分布式压电驱动器的复合材料加筋板的分层屈曲和脱粘扩展控制进行了数值分析研究。复合材料加筋板采用一阶剪切板理论,通过内聚力模型模拟复合材料加筋板蒙皮分层脱粘,采用力电耦合的非线性有限元法研究了在压缩载荷作用下具有压电驱动器控制下的复合材料加筋板分层屈曲和分层脱粘扩展行为,讨论了边界、加强筋位置和加强筋强度对其的影响,并还以典型复合材料加筋板为例,分析了压电驱动器对分层屈曲和脱粘扩展的控制效果。 本论文所提出的分析模型、实验、数值方法和所得到的结论将对压电复合材料的界面失效的研究提供一定的工程应用价值,可为该类结构失效防范提出一些合理的建议。本论文的研究得到了国家自然科学基金面上项目“考虑界面破坏的压电智能复合材料结构的失效机理”(10872038)、大连理工大学理学学科基金项目“考虑界面脱粘损伤压电复合材料智能加筋板壳结构在静、动力载荷作用下的失效研究”(SFDUT07011)和中央高校基本科研业务费专项资金(DUTllZD(G)Ol)资助。另外,还受到国家自然科学基金重大研究计划(重点项目)“面向近空间飞行器多功能超轻质结构设计优化理论”(90816025)的资助。


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