在职硕士论文:复合材料加筋板多失效模式耦合可靠性分析

来源: www.sblunwen.com 作者:lgg 发布时间:2018-06-25 论文字数:34151字
论文编号: sb2018062418222721761 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
本文是一篇在职硕士论文,在职硕士按申硕的种类分为单独考试、同等学力申硕和在职攻读硕士。单独考试是先考试后入学的形式,入学可以是全脱产、半脱产、在职学习,修满课程学分和考试
本文是一篇在职硕士论文,在职硕士按申硕的种类分为单独考试、同等学力申硕和在职攻读硕士。单独考试是先考试后入学的形式,入学可以是全脱产、半脱产、在职学习,修满课程学分和考试及格及论文答辩完成后即可获得硕士毕业证和硕士学位证书。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇在职硕士论文,供大家参考。
 
第 1 章 绪论
 
1.1 研究目的和意义
复合材料作为一种可设计的具有特殊性能的先进新型材料,已广泛应用于航空航天领域。新一代战机的复合材料占比达到了 40%,新型民用客机中的占比则达到了 50%,而在一些直升机(如美国的“科曼奇”直升机)和小型飞机结构中,复合材料的用量占比达到了 70%~80%。通过提高复合材料在主承力构件和次承力构件中的占比,飞机的减重效果明显。据测算,对于大型喷气式客机其质量每减轻 1kg,在其整个寿命期限内可节省 2200 美元。预计到 2020 年,复合材料的性能还可以提升 20%左右,可见由此带来的经济效益十分可观。此外,复合材料还兼具隔音、隔热、减震、吸波、耐高温等一些特殊的功能,可用于再入式航天器的防热涂层,火箭发动机的壳体等。薄壁结构作为飞机结构中的典型构件,是由薄的板壳或是细长杆组成的,其常见的失效形式是丧失稳定性。复合材料加筋板是一种有效提高壁板稳定性和结构效率的方法,增加的单元或筋条可大大提高薄板的强度和刚度,且附加的重量小。若要在保证安全的前提下充分提高结构的设计效率,使结构尽量以较小的重量和材料承受较大的载荷,则需要对结构进行基于可靠性的优化设计。传统方法是采用安全系数来描述确定性结构参数,计算过程较为简单,但却容易造成结构的强度冗余或是不足。为了弥补此类缺陷,发展出了随机可靠性方法。该方法通过建立含有非确定性参数的随机可靠性模型,可以更加合理的描述结构的实际状态,从而得到较为理想的结果。复合材料加筋板为非各项同性材料,其破坏形式较为复杂。在发生屈曲变形时,可诱发多种形式的损伤,主要有纤维断裂、基体开裂、纤维剪切破坏以及层间破坏。此外,壁板的初始缺陷、加载的模态转换和非线性的边界条件使得结构分析的复杂化。由于复合材料加筋板结构本身的复杂性,通过有限元划分对加筋板进行轴向压缩分析耗时较多,且基于可靠性的优化设计又是在此基础上的进一步优化。为此,有必要在保证计算精度的前提下,对有限元的求解过程或是可靠性算法进行简化,以降低计算成本,满足工程的需要。由此可见,为了充分利用复合材料加筋壁板可设计性强、重量轻、强度高等特点,提高结构设计水平,迫切需要高效的复合材料轴向压缩问题的可靠性研究方法。
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1.2 研究现状及分析
 
1.2.1 加筋壁板屈曲后屈曲研究
主要有解析法和有限元法。不同于简单平板稳定性问题,复合材料加筋板的屈曲后屈曲行为较为复杂,在计算机技术的推动下现有的研究大多基于有限元法。对板壳结构作为一种典型的结构形式,很早之前许多学者就针对其稳定性问题进行了深刻的研究。早在 18 世纪,欧拉和拉格朗日就对柱子的稳定性进行了研究,分别提出了小挠度变形和屈曲大变形理论。到 20 世纪,由铁木辛柯、苏斯威尔、兹里等对薄板屈曲载荷问题进行了系统展开。1940 年,Karman 和钱学森[1]首次对结构的后屈曲现象进行了细致地分析,指出了忽略结构的后屈曲行为正是结构屈曲载荷理论值同实验值相差较大的根本原因,形成了考虑结构后屈曲形态的大挠度理论。六十年代, Koiter[2-3]系统的考虑了后屈曲模态以及初始缺陷对屈曲性状影响的问题。Fu-Kuo Chang 和Kuo-Yen Cheng[4-5]在对复合材料开孔板的研究中,提出了考虑材料属性退化的渐进失效模型,用于对层合板任意层的破坏和极限拉伸强度的预测,其预测结果同实验数据吻合较好。Kong[6]等通过理论和实验对比的方法对石墨/环氧复合材料加筋板的屈曲后屈曲性状进行了研究对比。采用了最大应力准则判据进行结构的渐进失效分析,并对层合板的铺层顺序和筋条形状对后屈曲的影响进行了研究。
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第 2 章 基本理论
 
2.1 失效准则
采用强度方法,定义一个或多个强度准则,对复合材料板进行轴压工况下的受力损伤分析,认为当满足这些准则时,材料即发生损伤。对应于不同的损伤机理,可由应力、应变、力和位移等参数定义不同的失效准则。常用的失效准则主要有:最大应力准则[51]、最大应变准则、蔡-希尔[52](Tsai-Hill)准则、霍夫曼[53](Hoffman)准则、蔡-吴[54]准则以及 Hashin[55]准则等。在对复合材料加筋板进行极限压缩性能的研究中,一般常用的失效准则为 Hashin 准则和蔡-吴准则[56-59]。复合材料加筋板结构失效形式主要有面内失效和面外失效。在压缩载荷作用下,具体表现为纤维失效、基体失效和脱粘。渐进损伤分析的一般过程是:将载荷分成若干个增量步,在每个增量步计算中先假定材料参数维持不变,建立整个结构的有限元方程组并求解。在求得的模拟结果中提取出各单元的应力-应变数据带入失效准则,判断单元失效是否发生。依据损伤演化规律和刚度折减办法,对失效单元进行处理。此时结构材料属性发生变化,平衡方程的解也随之改变,需要重新建立平衡方程进行求解。持续增加载荷,重复之前的求解过程(计算应力-应变状态,对比失效准则,进行刚度折减),直到结构最终失效。渐进失效分析的具体流程可参见图 2.1,在流程图中其所对应的最主要的一步就是“材料属性退化”。当模型中的单元受力情况满足 Hashin 失效准则要求时,即判定该处单元发生失效。
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2.2 裂纹扩展与界面单元
经典断裂力学的缺陷扩展理论已广泛用于复合材料板的脱粘和分层破坏研究。裂纹的扩展过程是由应变能释放率控制的,当应变能释放率大于材料的断裂韧性CG (最大应变能释放率)时,裂纹将继续增长。裂纹扩张主要有三种典型的形式,见图 2.2:(1)Ⅰ型(张开型)裂纹:拉应力垂直作用于裂纹面,使两表面相对张开,裂纹沿原裂纹方向扩展。(2)Ⅱ型(滑开型)裂纹:剪切应力平行作用于裂纹面,使得裂纹滑开扩展,裂纹沿原裂纹方向成一角度扩展。(3)Ⅲ型(撕开型)裂纹:剪切应力使上下裂纹面相互错开,发生平面位移,裂纹沿原裂纹方向扩展。Cohesive 单元是一种模拟复合材料分层的有限元实体单元,广泛应用于复合材料结构分层和破坏研究。该单元将应力与分离距离引入断裂机制,传递被连接解结构的全部应力,认为随着分离距离的增大,内聚力逐渐增至最大值后发生损伤。本文采用 Quads[62]准则用来判别蒙皮与筋条的脱粘情况。并假设胶层为各向同性材料,即筋条与蒙皮不发生除蒙皮法向以外位移。
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第 3 章 复合材料加筋板极限承载能力分析...........15
3.1 模型参数..........15
3.2 有限元模型......16
3.3 模拟结果..........17
3.3.1 屈曲.......17
3.3.2 后屈曲...........18
3.4 失效过程分析..........21
3.5 本章小结..........24
第 4 章 可靠性分析...........25
4.1 多失效模式耦合可靠性分析..........25
4.2 极限承载能力可靠性分析......30
4.3 本章小结..........35
第 5 章 可靠性优化设计...........36
5.1 压缩载荷作用下的加筋板的响应分析..........36
5.2 可靠性优化设计......38
5.3 本章小结..........40
 
第 5 章 可靠性优化设计
 
复合材料不同于金属材料最大的特点在于其可设计性,通过改变单层板的纤维基体比例或层合板的铺层角度,其力学性能就会发生改变。在工程应用中,复合材料的铺层一般会选几个特定的铺层角度如:0 、   45 、90 。这是由于不同角度的合理组合就可满足各种不同的受载工况,且较少的铺层角度降低了结构的复杂性,有效地节省了设计成本。0 铺层可有效抵抗拉伸载荷的作用。在压缩载荷下,通过将其铺设在远离中面的位置可提高屈曲临界载荷;在剪切载荷作用下,45 在远离中面的位置可有效提高层合板抗屈曲的能力;在横向拉伸载荷的作用下,90 铺层有助于防止基体的拉伸破坏。此外铺层厚度和铺层角度是密切相关的,对于铺层角度和厚度的解耦国内外学者提出许多处理方法。
 
5.1 压缩载荷作用下的加筋板的响应分析
在进行结构可靠性优化之前需要先选定合适的优化参数。能够影响复合材料加筋板结构性能的有许多因素,比如:选用的材料的密度,蒙皮和筋条的铺层厚度、角度、筋条个数以及筋条间的间距等。本节将对这些影响因素进行分析,选取易于改变且影响较大的因素进行可靠性优化设计。工字梁加筋板材料参数见表 3.1,倒 T 型加筋板材料参数见表 3.2。界面单元材料性能对于结构的屈曲载荷影响可忽略不计,但对结构的极限载荷影响较大,在强度小于 80MPa 之前,极限载荷的增长十分迅速,然而在超过 80MPa 后结构的极限载荷值几乎不再有波动了。由第三章对结构屈曲后屈曲的失效分析可知其原因,由于界面层单元的主要作用是模拟结构的脱粘失效,而脱粘只发生在到达极限载荷之前,在达到屈曲载荷时结构并不发生脱粘,故提高界面层单元的属性可以延缓结构脱粘的发生,进而使结构获得更高的极限载荷。
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结 论
 
本文采用界面单元的壳-固模型,利用渐进失效子程序求解复合材料加筋结构的极限压缩载荷。针对结构的多失效模式耦合可靠性进行讨论,得出各失效模式以及系统的可靠指标,并对影响结构压缩性能的主要随机参数进行灵敏度分析。由于传统可靠性分析方法过于繁杂且计算效率较低,本文以屈曲载荷乘系数构造极限压缩强度的方法进行结构极限承载能力可靠性分析,通过与已有文献比对表明该方法计算性能良好。在可靠性优化阶段,对影响结构屈曲性能的参数,如铺层角度、界面单元材料性能等有关随机变量进行响应分析,并对加筋结构的重量进行基于可靠性的优化设计。本文主要工作以及主要结论如下:
1. 渐进失效分析①胶层单元在加筋板失效过程分析中必不可少,引入胶层单元是模拟脱粘失效的主要方法。通过结果对比发现,含有胶层单元的模型所得出的极限载荷值比全壳模型的更为接近实验值。②在加筋板的失效分析过程中可以看到:基体破坏、纤维破坏和脱粘破坏之间相互影响。在加筋板轴向压缩过程中,基体压缩破坏最先发生,随后发生纤维破坏,界面层单元的脱粘破坏最后发生。在加筋板达到其极限承载能力之前,各失效模式将相互影响交替进行。此外,在渐进失效分析中通过比对得出折减后的材料属性在接近于零时,模拟结果最好。
2. 各失效模式耦合可靠性分析①在对结构进行多失效模式耦合可靠性分析中,采用一次二阶距方法得出各失效模式的可靠指标。对于界面层失效、纤维失效、基体失效,纵向弹性模量1E 和横向弹性模量2E 以及面内剪切模量12G 是影响结构可靠性的主要因素。而基体的压缩失效是结构系统的主要失效模式。②在极限承载能力可靠性分析阶段,由于极限承载能力分析所需时间要远大于屈曲分析所需时间,因而为提高计算效率,以屈曲载荷乘系数代替极限压缩强度进行可靠性分析。通过与经典方法的对比,本文方法流程简洁仅需进行一次压缩强度的计算,所需时间大大减少。对于算例 A 和 B 本文方法的总计算时间分别为经典方法的 1.18%和1.66%。
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参考文献(略)

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