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纤维增强复合材料变角度层合板的力学特性研究

刘润兵  
【摘要】:复合材料层合板可以采用纤维的直线铺放得到,尽管方法简单,但却极大地限制了设计的灵活程度,也使得复合材料的方向特性未能得到充分利用。然而,随着铺放技术的发展,现有的铺放设备已经能够实现纤维丝束的变角度铺放,使得铺放角度在同一铺层内连续变化。与传统的固定角度铺放相比,增大了设计的灵活性,能够更加充分地利用复合材料的方向特性,使得提高构件的性能或减小构件重量成为可能。复合材料层合板结构大量存在于实际的工程应用之中,使用广泛,因此有必要将变化的纤维角度应用其中并对其进行相关的力学特性研究。 给出了参考纤维路径纤维角度的变化规律,并在此基础上推导了参考纤维路径的曲线函数,确定了变角度纤维层合板的定义方法。考虑到丝束带宽度的影响,给出了丝束带上任意点纤维角度的计算方法。讨论了平移法与平行法两种铺层构建方法,分析了间隙、重叠或者褶皱产生的原因,比较各自优缺点并确定了文中采用的构建方法为平移法。参考直线纤维层合板的标记法给出了变角度纤维层合板的表示方法。应用离散思想给出了变角度纤维层合板分析模型的创建方法,并编制了相应的MATLAB程序。 根据经典层合板理论,给出了变角度纤维铺层应力、应变、变化纤维角度之间的关系,并依此得到了变角度纤维层合板的本构方程。依据给出的相关理论,文中给出了两种角度变化下的变角度纤维层合板,生成了考虑与不考虑丝束带重叠的有限元模型,研究了其在压缩载荷作用下的平面静力响应,给出了变形、应力与截面内力的相关结果,并分析了变化的纤维角度对上述结果的影响情况。 压缩载荷作用下的层合板会出现屈曲失稳,影响结构的整体安全。文中考虑几何非线性的影响,利用有限元法对带孔与不带孔的变角度纤维层合板进行了屈曲分析,得到了其屈曲载荷、载荷位移曲线以及载荷挠度曲线,并考虑了不同初始几何缺陷对上述结果的影响情况。为了了解纤维角度变化对上述结果的影响情况,同时对直线纤维层合板进行了相应的分析。


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