在職碩士論文:復合材料加筋板多失效模式耦合可靠性分析

來源: www.1081492.live 發布時間:2018-06-25 論文字數:34151字
論文編號: sb2018062418222721761 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文
本文是一篇在職碩士論文,在職碩士按申碩的種類分為單獨考試、同等學力申碩和在職攻讀碩士。單獨考試是先考試后入學的形式,入學可以是全脫產、半脫產、在職學習,修滿課程學分和考試
本文是一篇在職碩士論文,在職碩士按申碩的種類分為單獨考試、同等學力申碩和在職攻讀碩士。單獨考試是先考試后入學的形式,入學可以是全脫產、半脫產、在職學習,修滿課程學分和考試及格及論文答辯完成后即可獲得碩士畢業證和碩士學位證書。(以上內容來自百度百科)今天為大家推薦一篇在職碩士論文,供大家參考。
 
第 1 章 緒論
 
1.1 研究目的和意義
復合材料作為一種可設計的具有特殊性能的先進新型材料,已廣泛應用于航空航天領域。新一代戰機的復合材料占比達到了 40%,新型民用客機中的占比則達到了 50%,而在一些直升機(如美國的“科曼奇”直升機)和小型飛機結構中,復合材料的用量占比達到了 70%~80%。通過提高復合材料在主承力構件和次承力構件中的占比,飛機的減重效果明顯。據測算,對于大型噴氣式客機其質量每減輕 1kg,在其整個壽命期限內可節省 2200 美元。預計到 2020 年,復合材料的性能還可以提升 20%左右,可見由此帶來的經濟效益十分可觀。此外,復合材料還兼具隔音、隔熱、減震、吸波、耐高溫等一些特殊的功能,可用于再入式航天器的防熱涂層,火箭發動機的殼體等。薄壁結構作為飛機結構中的典型構件,是由薄的板殼或是細長桿組成的,其常見的失效形式是喪失穩定性。復合材料加筋板是一種有效提高壁板穩定性和結構效率的方法,增加的單元或筋條可大大提高薄板的強度和剛度,且附加的重量小。若要在保證安全的前提下充分提高結構的設計效率,使結構盡量以較小的重量和材料承受較大的載荷,則需要對結構進行基于可靠性的優化設計。傳統方法是采用安全系數來描述確定性結構參數,計算過程較為簡單,但卻容易造成結構的強度冗余或是不足。為了彌補此類缺陷,發展出了隨機可靠性方法。該方法通過建立含有非確定性參數的隨機可靠性模型,可以更加合理的描述結構的實際狀態,從而得到較為理想的結果。復合材料加筋板為非各項同性材料,其破壞形式較為復雜。在發生屈曲變形時,可誘發多種形式的損傷,主要有纖維斷裂、基體開裂、纖維剪切破壞以及層間破壞。此外,壁板的初始缺陷、加載的模態轉換和非線性的邊界條件使得結構分析的復雜化。由于復合材料加筋板結構本身的復雜性,通過有限元劃分對加筋板進行軸向壓縮分析耗時較多,且基于可靠性的優化設計又是在此基礎上的進一步優化。為此,有必要在保證計算精度的前提下,對有限元的求解過程或是可靠性算法進行簡化,以降低計算成本,滿足工程的需要。由此可見,為了充分利用復合材料加筋壁板可設計性強、重量輕、強度高等特點,提高結構設計水平,迫切需要高效的復合材料軸向壓縮問題的可靠性研究方法。
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1.2 研究現狀及分析
 
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。不同于簡單平板穩定性問題,復合材料加筋板的屈曲后屈曲行為較為復雜,在計算機技術的推動下現有的研究大多基于有限元法。對板殼結構作為一種典型的結構形式,很早之前許多學者就針對其穩定性問題進行了深刻的研究。早在 18 世紀,歐拉和拉格朗日就對柱子的穩定性進行了研究,分別提出了小撓度變形和屈曲大變形理論。到 20 世紀,由鐵木辛柯、蘇斯威爾、茲里等對薄板屈曲載荷問題進行了系統展開。1940 年,Karman 和錢學森[1]首次對結構的后屈曲現象進行了細致地分析,指出了忽略結構的后屈曲行為正是結構屈曲載荷理論值同實驗值相差較大的根本原因,形成了考慮結構后屈曲形態的大撓度理論。六十年代, Koiter[2-3]系統的考慮了后屈曲模態以及初始缺陷對屈曲性狀影響的問題。Fu-Kuo Chang 和Kuo-Yen Cheng[4-5]在對復合材料開孔板的研究中,提出了考慮材料屬性退化的漸進失效模型,用于對層合板任意層的破壞和極限拉伸強度的預測,其預測結果同實驗數據吻合較好。Kong[6]等通過理論和實驗對比的方法對石墨/環氧復合材料加筋板的屈曲后屈曲性狀進行了研究對比。采用了最大應力準則判據進行結構的漸進失效分析,并對層合板的鋪層順序和筋條形狀對后屈曲的影響進行了研究。
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第 2 章 基本理論
 
2.1 失效準則
采用強度方法,定義一個或多個強度準則,對復合材料板進行軸壓工況下的受力損傷分析,認為當滿足這些準則時,材料即發生損傷。對應于不同的損傷機理,可由應力、應變、力和位移等參數定義不同的失效準則。常用的失效準則主要有:最大應力準則[51]、最大應變準則、蔡-希爾[52](Tsai-Hill)準則、霍夫曼[53](Hoffman)準則、蔡-吳[54]準則以及 Hashin[55]準則等。在對復合材料加筋板進行極限壓縮性能的研究中,一般常用的失效準則為 Hashin 準則和蔡-吳準則[56-59]。復合材料加筋板結構失效形式主要有面內失效和面外失效。在壓縮載荷作用下,具體表現為纖維失效、基體失效和脫粘。漸進損傷分析的一般過程是:將載荷分成若干個增量步,在每個增量步計算中先假定材料參數維持不變,建立整個結構的有限元方程組并求解。在求得的模擬結果中提取出各單元的應力-應變數據帶入失效準則,判斷單元失效是否發生。依據損傷演化規律和剛度折減辦法,對失效單元進行處理。此時結構材料屬性發生變化,平衡方程的解也隨之改變,需要重新建立平衡方程進行求解。持續增加載荷,重復之前的求解過程(計算應力-應變狀態,對比失效準則,進行剛度折減),直到結構最終失效。漸進失效分析的具體流程可參見圖 2.1,在流程圖中其所對應的最主要的一步就是“材料屬性退化”。當模型中的單元受力情況滿足 Hashin 失效準則要求時,即判定該處單元發生失效。
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2.2 裂紋擴展與界面單元
經典斷裂力學的缺陷擴展理論已廣泛用于復合材料板的脫粘和分層破壞研究。裂紋的擴展過程是由應變能釋放率控制的,當應變能釋放率大于材料的斷裂韌性CG (最大應變能釋放率)時,裂紋將繼續增長。裂紋擴張主要有三種典型的形式,見圖 2.2:(1)Ⅰ型(張開型)裂紋:拉應力垂直作用于裂紋面,使兩表面相對張開,裂紋沿原裂紋方向擴展。(2)Ⅱ型(滑開型)裂紋:剪切應力平行作用于裂紋面,使得裂紋滑開擴展,裂紋沿原裂紋方向成一角度擴展。(3)Ⅲ型(撕開型)裂紋:剪切應力使上下裂紋面相互錯開,發生平面位移,裂紋沿原裂紋方向擴展。Cohesive 單元是一種模擬復合材料分層的有限元實體單元,廣泛應用于復合材料結構分層和破壞研究。該單元將應力與分離距離引入斷裂機制,傳遞被連接解結構的全部應力,認為隨著分離距離的增大,內聚力逐漸增至最大值后發生損傷。本文采用 Quads[62]準則用來判別蒙皮與筋條的脫粘情況。并假設膠層為各向同性材料,即筋條與蒙皮不發生除蒙皮法向以外位移。
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第 3 章 復合材料加筋板極限承載能力分析...........15
3.1 模型參數..........15
3.2 有限元模型......16
3.3 模擬結果..........17
3.3.1 屈曲.......17
3.3.2 后屈曲...........18
3.4 失效過程分析..........21
3.5 本章小結..........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 極限承載能力可靠性分析......30
4.3 本章小結..........35
第 5 章 可靠性優化設計...........36
5.1 壓縮載荷作用下的加筋板的響應分析..........36
5.2 可靠性優化設計......38
5.3 本章小結..........40
 
第 5 章 可靠性優化設計
 
復合材料不同于金屬材料最大的特點在于其可設計性,通過改變單層板的纖維基體比例或層合板的鋪層角度,其力學性能就會發生改變。在工程應用中,復合材料的鋪層一般會選幾個特定的鋪層角度如:0 、   45 、90 。這是由于不同角度的合理組合就可滿足各種不同的受載工況,且較少的鋪層角度降低了結構的復雜性,有效地節省了設計成本。0 鋪層可有效抵抗拉伸載荷的作用。在壓縮載荷下,通過將其鋪設在遠離中面的位置可提高屈曲臨界載荷;在剪切載荷作用下,45 在遠離中面的位置可有效提高層合板抗屈曲的能力;在橫向拉伸載荷的作用下,90 鋪層有助于防止基體的拉伸破壞。此外鋪層厚度和鋪層角度是密切相關的,對于鋪層角度和厚度的解耦國內外學者提出許多處理方法。
 
5.1 壓縮載荷作用下的加筋板的響應分析
在進行結構可靠性優化之前需要先選定合適的優化參數。能夠影響復合材料加筋板結構性能的有許多因素,比如:選用的材料的密度,蒙皮和筋條的鋪層厚度、角度、筋條個數以及筋條間的間距等。本節將對這些影響因素進行分析,選取易于改變且影響較大的因素進行可靠性優化設計。工字梁加筋板材料參數見表 3.1,倒 T 型加筋板材料參數見表 3.2。界面單元材料性能對于結構的屈曲載荷影響可忽略不計,但對結構的極限載荷影響較大,在強度小于 80MPa 之前,極限載荷的增長十分迅速,然而在超過 80MPa 后結構的極限載荷值幾乎不再有波動了。由第三章對結構屈曲后屈曲的失效分析可知其原因,由于界面層單元的主要作用是模擬結構的脫粘失效,而脫粘只發生在到達極限載荷之前,在達到屈曲載荷時結構并不發生脫粘,故提高界面層單元的屬性可以延緩結構脫粘的發生,進而使結構獲得更高的極限載荷。
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結 論
 
本文采用界面單元的殼-固模型,利用漸進失效子程序求解復合材料加筋結構的極限壓縮載荷。針對結構的多失效模式耦合可靠性進行討論,得出各失效模式以及系統的可靠指標,并對影響結構壓縮性能的主要隨機參數進行靈敏度分析。由于傳統可靠性分析方法過于繁雜且計算效率較低,本文以屈曲載荷乘系數構造極限壓縮強度的方法進行結構極限承載能力可靠性分析,通過與已有文獻比對表明該方法計算性能良好。在可靠性優化階段,對影響結構屈曲性能的參數,如鋪層角度、界面單元材料性能等有關隨機變量進行響應分析,并對加筋結構的重量進行基于可靠性的優化設計。本文主要工作以及主要結論如下:
1. 漸進失效分析①膠層單元在加筋板失效過程分析中必不可少,引入膠層單元是模擬脫粘失效的主要方法。通過結果對比發現,含有膠層單元的模型所得出的極限載荷值比全殼模型的更為接近實驗值。②在加筋板的失效分析過程中可以看到:基體破壞、纖維破壞和脫粘破壞之間相互影響。在加筋板軸向壓縮過程中,基體壓縮破壞最先發生,隨后發生纖維破壞,界面層單元的脫粘破壞最后發生。在加筋板達到其極限承載能力之前,各失效模式將相互影響交替進行。此外,在漸進失效分析中通過比對得出折減后的材料屬性在接近于零時,模擬結果最好。
2. 各失效模式耦合可靠性分析①在對結構進行多失效模式耦合可靠性分析中,采用一次二階距方法得出各失效模式的可靠指標。對于界面層失效、纖維失效、基體失效,縱向彈性模量1E 和橫向彈性模量2E 以及面內剪切模量12G 是影響結構可靠性的主要因素。而基體的壓縮失效是結構系統的主要失效模式。②在極限承載能力可靠性分析階段,由于極限承載能力分析所需時間要遠大于屈曲分析所需時間,因而為提高計算效率,以屈曲載荷乘系數代替極限壓縮強度進行可靠性分析。通過與經典方法的對比,本文方法流程簡潔僅需進行一次壓縮強度的計算,所需時間大大減少。對于算例 A 和 B 本文方法的總計算時間分別為經典方法的 1.18%和1.66%。
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參考文獻(略)

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