纤维缠绕复合材料结构刚度预测模型与力学分析方法研究.pdf

南京航空航天大学
硕士学位论文
纤维缠绕复合材料结构刚度预测模型与力学分析方法研究
姓名:付福超
申请学位级别:硕士
专业:航空宇航推进理论与工程
指导教师:温卫东
20070201
南京航空航天大学硕士学位论文

摘要
现代高性能飞行器为了获得高的机动性能、提高结构的维护性和可靠性大多采
用先进材料与结构。纤维增强复合材料以其高的比强度、比刚度、抗疲劳、减振、
耐高温、可设计等优点而迅速在航空、航天、能源、交通、建筑、机械、生物医学
和体育运动等部门日益得到广泛的应用。在复合材料的各种成型工艺中,缠绕成型
制品以其缠绕规律、缠绕线型以及缠绕角可设计;缠绕制品可靠性高;生产效率
高;成本低等优点而在复合材料制品中占有重要地位。
本文简要介绍了纤维缠绕复合材料缠绕线型及其影响因素。重点研究了纤维缠
绕复合材料的强度、刚度、非线性以及损伤破坏;并研究了缠绕线型对缠绕复合材
料的影响。主要研究工作如下:
(1)介绍了影响纤维缠绕几何线型的缠绕参数;并对这几个参数之间的关系进
行了函数推导;给出了由不同缠绕参数计算缠绕线型的流程图,并用 ANSYS 的
APDL 语言对其编写成为宏文件,供本文后续章节使用。用正弦曲线模拟纤维之间
的交织情况,用椭圆模拟纤维端面,推导了纤维缠绕复合材料的体积分数表达式。
以上述研究工作为基础,结合 UG 的 GRIP 语言建立了两个典型的缠绕参数所对应
的不同 RVE 实体单元模型。
(2)用有限元方法,以 ANSYS 软件为技术平台,对(1)中所建立的代表性
体积单元模型施加六组独立的边界约束条件和载荷;考虑纤维之间的交织影响,对
以上两种 RVE 单元实体模型进行了等效模量的研究。并通过与实验结果的对比,验
证了该方法的正确性。研究过程中提出了一种“子单元”的概念,有效的降低了计
算时间、提高了计算精度。弹性模量 E11,E22 随纤维交叠数的增加而增加。这与已
有文献[1~4]预测结果相反,而与试验[5]结果一致。这可解释为当纤维束之间的交叠数
增加时,纤维与纤维之间摩擦力也增加,除了纤维轴向承受与单向直纤维一样的轴
向拉伸力外,还多了一项轴向摩擦力,因而交叠数多的复合材料能承受更大的轴向
负荷,即轴向刚度提高。弹性模量 E33 基本不随纤维交叠数的变化而变化。G12 基本
不随纤维交叠数变化而变化;剪切模量 G23 随纤维交叠数的增加而增加,当复合材
料为纤维之间没有交叠的层合板时,其面内剪切强度因纤维与基体间的界面剪切强
度较低而较低;当存在纤维之间的交叠时,交叠纤维会因为沿纤维方向的力产生沿
厚度方向的分力,复合材料以纤维拉力的形式承担了一部分面内剪切力,因而剪切
刚度会随纤维交叠数的提高而提高;剪切模量 G13 随纤维交叠数的增加先增加后减
小。泊松比 u12 随纤维交叠数的增加而增加;泊松比 u23,u13 随纤维交叠数的增加而
减小。
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(3)将(2)中所得到的正交各向异性弹性常数应用到纤维缠绕复合材料壳体
上,对纤维缠绕复合材料壳体的受力过程在弹性阶段范围内进行了研究。给出了应
力沿半径的分布情况。
(4)给出了考虑几何非线性的完全 Lagrangian 网格的控制方程和虚功原理;
结合 ANSYS 的非线性求解器,首先对铝筒进行了几何非线性分析;编制了通用的
APDL 程序;并与各向同性材料的理论解进行了对比,验证了程序的正确性。将纤
维缠绕复合材料壳体的正交各向异性弹性常数代入到计算铝筒的 APDL 程序中,对
纤维缠绕复合材料壳体进行了几何非线性研究。并与(3)中的线性求解结果进行了
对比。
(5)针对纤维缠绕复合材料壳体在缠绕成型过程中所产生的预应力,对其进
行预应力研究。给出了各应力分量沿半径的变化规律:考虑预应力时复合材料壳体
环向应力比不考虑预应力时,沿半径方向先减小后増大;考虑预应力时复合材料壳
体径向应力沿半径方向比不考虑预应力时大;考虑预应力时复合材料壳体径向位移
沿半径方向比不考虑预应力时小。
(6)采用三维模型的 Hashin 失效判据,并结合三维模型失效准则对纤维缠绕
复合材料壳体进行了逐渐累积损伤研究。给出了考虑逐渐累积损伤的纤维缠绕复合
材料壳体载荷位移曲线。

关键词:纤维缠绕,复合材料,缠绕线型,有限元,几何非线性,预应力,破坏模
式,逐渐累积损伤











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ABSTRACT
In order to improve the flying performance, maintenan