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聚氨酯夹芯板的制备和力学性能研究

吴晔  
【摘要】:聚氨酯夹芯板结构是近年来发展很快的一种夹芯板结构,广泛应用于船舶工业、航空航天、建筑等行业中。聚氨酯夹芯板结构是由两层金属或者复合纤维面板与聚氨酯基聚合物芯子组成。聚氨酯夹芯板结构中应用最广泛的是聚氨酯弹性体夹芯板和聚氨酯泡沫夹芯板。聚氨酯夹芯板结构不仅具有强度高、制造加工方便、工业化程度高等特点,同时由于芯子的存在,使得结构还具有优异的抵抗冲击、振动和疲劳的性能、隔声、隔热等等好的优点。但是从实际工程来看,对聚氨酯夹芯板结构的设计仍然存在许多困难,例如考虑胶层效应对结构性能的影响、胶层缺陷的损伤扩展、内部各部分损伤演化过程等,而国内对此研究还处于初始阶段,相应的研究文献也较少,因此对其深入研究具有重要的应用价值。本文从理论、实验、数值方面研究了这两种类型的聚氨酯夹芯板,包括考虑胶层效应的复合夹芯板的弯曲等效理论、含有初始胶层圆形缺陷的聚氨酯夹芯板屈曲性能,聚氨酯夹芯板预埋螺栓拉脱性能等等,具体研究内容如下:1、研究了聚氨酯弹性体和纤维增强复合面板的制备方法,开展了聚氨酯弹性体夹芯板和聚氨酯泡沫夹芯板两种聚氨酯夹芯板的制备实验,并对关键技术给出说明。同时开展了聚氨酯弹性体的基本力学性能实验以及纤维增强复合面板的拉伸实验,得到一些材料参数,为后续研究提供数据。2、基于夹芯板理论提出了一种考虑胶层效应的夹芯板弯曲等效方法,为实际工程中复合夹芯板的弯曲设计提供理论依据。在Reissner理论的基础上,结合层合板理论,提出了一种考虑胶层效应的夹芯板的弯曲等效方法,此方法避免了复杂的参数推导,便于广大工程技术人员理解和应用。在此等效方法的基础上,对聚氨酯弹性体夹芯板结构在简支条件下的弯曲挠度响应进行了计算和分析。3、针对实际工程中,胶层可能存在缺陷的问题,建立了带胶层圆形缺陷的聚氨酯弹性体夹芯板的屈曲有限元模型,研究了圆形缺陷在屈曲过程中的损伤演化过程。(1)开展了无胶层缺陷的聚氨酯弹性体夹芯板的屈曲实验,得到了聚氨酯弹性体夹芯板结构的破坏形式和临界屈曲荷载,基于实验结果建立了无胶层缺陷的聚氨酯弹性体夹芯板的数值模型,并验证了其准确性。(2)开展了聚氨酯弹性体夹芯板的DCB实验和SLB实验,结合断裂力学理论和虚拟裂纹闭合技术,得到了聚氨酯弹性体夹芯板面芯界面的应变能释放率。(3)在此基础上,建立了带圆形胶层缺陷的聚氨酯弹性体夹芯板结构的屈曲数值模型,分析了胶层圆形缺陷对聚氨酯弹性体夹芯板结构屈曲性能的影响以及胶层的损伤演化过程。4、针对实际工程中,夹芯板结构内部破坏和损伤演化过程极其复杂的问题,开展了聚氨酯泡沫夹芯板预埋螺栓的拉脱实验,并建立了数值模型,研究了聚氨酯泡沫夹芯板结构内部各部分的损伤演化过程。(1)开展了聚氨酯泡沫夹芯板预埋螺栓的拉脱实验,得到了其在拉伸载荷下的宏观破坏模式和失效载荷。(2)基于纤维增强复合面板的拉伸实验结果建立了有限元模型,并编写了其损伤UMAT子程序,分析了纤维增强复合面板的损伤演化过程。(3)基于聚氨酯泡沫夹芯板预埋螺栓的拉脱试验结果,编写了纤维增强复合面板损伤的UMAT子程序,采用XFEM扩展有限元方法定义聚氨酯泡沫材料的断裂失效并结合胶层的内聚力方法建立了聚氨酯泡沫夹芯板预埋螺栓在拉伸载荷作用下的数值模型,该模型可以分析聚氨酯泡沫夹芯板结构拉脱破坏的起始、损伤演化以及最终的整体失效过程,揭示了整体结构的破坏机理。基于此模型,研究了预埋件结构参数对聚氨酯泡沫夹芯板预埋螺栓拉伸强度和损伤扩展的影响,对预埋螺栓参数的优化提出建议。


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