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低温复合材料贮箱跨尺度层次化分析

马帅  
【摘要】:纤维增强树脂基复合材料以其轻质高强、可设计、耐腐蚀等优点逐渐受到低温工程领域的青睐。尤其是近年来随着航天事业的发展,其在航天运载器低温推进剂贮箱上得到越来越多的应用。然而,由于低温轻质无内衬复合材料贮箱服役时处于高温差和高压力差的循环状态,并且复合材料内部纤维与树脂的热膨胀系数差异很大,所以当其冷却至低温时,树脂中将产生十分显著的拉伸应力。另一方面,树脂系统在低温时会由于内部分子链的收缩而变脆,使得其失效应变显著降低。热膨胀系数差异引起的内应力和树脂降低的失效应变共同作用,会引起缠绕层中基体微裂纹的产生,从而导致液体燃料的泄露,即结构功能失效。鉴于此,本文基于细观力学有限元法建立了低温复合材料的热力学本构关系,提出了一种包含完整微观应力场的复合材料跨尺度层次化分析方法,实现了热-力耦合作用下低温复合材料贮箱的跨尺度层次化分析。本文的研究工作是973计划课题(2014CB046506)和国家自然科学基金课题(11372058)中相关子课题研究内容的重要组成部分。本文主要研究工作如下: 1.建立了低温下纤维增强树脂基复合材料的热力学本构关系 基于黏弹性材料Maxwell本构模型,研究了低温下树脂材料的本构和温度之间的关系。假设纤维材料性能不随温度变化,选取六边形代表体积元为研究对象,采用细观力学有限元方法建立了低温下复合材料的热力学本构模型。在此基础上分别讨论了纤维体分比和纤维的微观排列对低温复合材料热力学本构关系的影响。 2.提出了一种包含完整微观应力场的低温复合材料跨尺度层次化分析方法 通过施加周期对称边界条件得到了代表体积元的微观应力场,结合叠加理论提出了一种低温复合材料的跨尺度层次化分析方法。该方法不仅能进行低温复合材料结构性能的跨尺度分析,还可以实现低温复合材料结构响应的跨尺度分析,在得到了实际载荷下结构的完整微观应力场后,可以结合组分材料的强度准则直接对组分材料进行强度判断。通过典型算例验证了本文跨尺度层次化分析方法的正确性。 3.实现了热-力耦合作用下低温复合材料贮箱的跨尺度层次化分析 基于纤维和树脂的热膨胀系数不匹配,考虑了温度变化在组分材料中引起的热应力,实现了热-力耦合作用下复合材料贮箱的跨尺度层次化分析。算例表明温差较大时热应力可能直接引起基体破坏并导致贮箱功能失效,热-力耦合作用下复合材料贮箱的临界损伤机械载荷会降低。


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