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用元胞法研究碳酚醛的本构关系及应力波传播

徐明利  
【摘要】: 随着碳酚醛在航天飞行器结构及导弹壳体中日益广泛的应用,预测结构受到爆炸作用、冲击或由于高能粒子束在其表层大量沉积而产生的应力波所引起的动态响应及内部损伤,以及对其防护应力波的性能进行评估等,都需要对碳酚醛的本构关系以及应力波在其中的传播特性开展研究。碳酚醛的力学性能与各相的力学性能及体积百分比相关,并受其制备工艺的影响很大,而细观力学是以基体和增强相的实测力学性能数据和两相之间的几何关系为依据来计算复合材料的宏观力学性能,因此,本文采用细观力学方法研究了碳酚醛的本构关系及应力波传播特性。主要进展如下: 为了研究碳酚醛的基体材料——氨酚醛树脂的本构关系,完成了氨酚醛树脂的固化工艺研究,成功地制备了固化氨酚醛试件。 在应变率10~(-4)~10~3 1/s范围内对固化氨酚醛进行了准静态压缩实验和SHPB实验。在SHPB实验中采用波形整形技术使入射波的上升沿变宽;分析了影响SHPB实验中试件早期应力平衡的外部因素,给出了改善早期应力均匀性的方法;采用透射波的早期预估波形与实测波形作对比的方法确定了SHPB实验数据处理中的延迟时间;因而在实验中得到了比较准确的应力应变曲线。实验结果表明,固化氨酚醛是伴有内部损伤的应变率敏感材料,在室温和高应变率下表现出冲击脆化的特征。 引进了能同时描述固化氨酚醛在高应变率和低应变率下本构行为的ZWT非线性粘弹性本构关系。基于实验曲线构建了最小二乘形式的目标函数,并采用传统优化方法辅助设计了各个决策变量的搜索空间,进而用遗传算法确定了损伤型ZWT非线性粘弹性本构关系中的材料参数。理论预示与实验结果吻合得较好。 基于元胞法(MOC)计算了预浸树脂的平直以及任意取向的纤维束的有效弹性常数。基于经典层板理论用替代层法建立了预浸树脂平纹机织碳布的细观力学模型,进而给出了预浸氨酚醛树脂的平纹机织碳布的弹性模量的计算方法,该方法可推广到碳酚醛复合材料。 非均质化动力学元胞法(NHDMOC)是研究层合材料中应力波的新方法,本文整理、推导了应用NHDMOC数值模拟一维应变条件下应力波的计算公式以及初值条件,编制了计算程序,并进行了验算。对线弹性层合材料在冲击载荷下的动态响应所进行的数值模拟结果与传播矩阵方法的计算结果相符合。针对两种不同上升沿入射波加载时的计算表明,应力波的振荡现象反映了材料的分层非均匀特性,上升沿越陡,振荡越明显;对于周期性分层材料,应力波的振荡周期与各层的厚度以及周期性代表单元的总厚度是相关的。 成功地将ZWT非线性粘弹性本构关系与NHDMOC相结合,编制了一维应力波计算程序,相应的验算表明,计算结果符合理论分析。利用该程序模拟一维应力波在碳酚醛中的传播时发现,高频波衰减明显,这主要是由碳酚醛的分层非均匀性和其中的粘弹性固化氨酚醛层引起的,而对低频波而言,固化氨酚醛的粘性是导致应力波衰减的主要原因。


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