基于精化整體局部高階理論的層合板熱力問(wèn)題有限元分析.pdf

1、復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)以其高比強(qiáng)度、高比模量、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于航空航天、建筑工程、車(chē)輛工程等軍用和民用領(lǐng)域中。由于復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)各層材料屬性的不同，使其具有非均勻性、呈層性、各向異性以及對(duì)環(huán)境的敏感性等特征，因而在外荷載的作用下，其變形和破壞的過(guò)程較為復(fù)雜。復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)在加工制造以及實(shí)際運(yùn)用的過(guò)程中，承受巨大機(jī)械荷載的同時(shí)，還往往伴隨著劇烈的溫度變化。機(jī)械荷載和溫度荷載的共同作用，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生顯著的層間應(yīng)力

2、，從而使整個(gè)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過(guò)大的變形而破壞失效。因此，為了保證復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)的安全性和可靠性，準(zhǔn)確有效地預(yù)測(cè)熱力作用下復(fù)合材料層合板中層間應(yīng)力的分布情況，已成為當(dāng)代學(xué)術(shù)界和工程界的一個(gè)研究熱點(diǎn)。
　　本文首先對(duì)復(fù)合材料層合板理論及層間應(yīng)力研究方法進(jìn)行了詳細(xì)的歸納總結(jié)，發(fā)現(xiàn)精化整體局部高階剪切變形理論不僅滿足面內(nèi)位移和橫向剪切應(yīng)力層間連續(xù)條件，同時(shí)還可以直接應(yīng)用本構(gòu)方程計(jì)算面內(nèi)應(yīng)力和層間應(yīng)力，在兼顧計(jì)算效率的同時(shí)，具有很高的精度。因此，

3、選擇該理論作為本文的理論基礎(chǔ)。另外，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的有限單元法不受實(shí)驗(yàn)環(huán)境、荷載形式、邊界條件等諸多因素的限制，可以求解具有任意復(fù)雜形狀與性能的結(jié)構(gòu)承受任意荷載的問(wèn)題，被廣泛地運(yùn)用于復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)不同層次的研究中。因此，本文基于有限單元法對(duì)熱力載荷作用下復(fù)合材料層合板的響應(yīng)展開(kāi)研究。主要研究工作包括:
　　1)詳細(xì)推導(dǎo)了精化整體局部高階剪切變形理論。在充分考慮材料偏軸剛度系數(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)在起始位移函數(shù)中引入面內(nèi)位移和層間應(yīng)力

4、連續(xù)性條件，以及上下表面自由邊界條件，得到了含有19個(gè)獨(dú)立于層合板層數(shù)的未知變量的最終位移函數(shù)，并以此為基礎(chǔ)，采用DKQ單元，分別構(gòu)造了滿足單元間C0和C1連續(xù)的橫向位移函數(shù)，建立了四節(jié)點(diǎn)四邊形單元，其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)含有19個(gè)自由度。此外，還給出了單元應(yīng)變矩陣與形函數(shù)矩陣的顯式表達(dá)式，為后續(xù)工作的展開(kāi)奠定了理論基礎(chǔ)。
　　2)開(kāi)展了熱荷載單獨(dú)作用下復(fù)合材料層合板的響應(yīng)分析，并對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)中熱荷載作用下的三維彈性解答以及溫度場(chǎng)的選取進(jìn)行了

5、簡(jiǎn)單的闡述。數(shù)值算例采用沿厚度方向均勻分布和線性分布兩種方式的溫度場(chǎng)，從不同層數(shù)、不同網(wǎng)格劃分密度、不同跨厚比等多個(gè)方面，詳細(xì)地研究了復(fù)合材料層合板在熱荷載作用下的響應(yīng)分布情況。同時(shí)通過(guò)與解析解的對(duì)比，檢驗(yàn)了熱荷載下基于精化整體局部高階理論的層合板單元的有效性與準(zhǔn)確性。計(jì)算結(jié)果表明:該單元在求解熱荷載作用下層和板的響應(yīng)時(shí)，具有相當(dāng)高的精度。
　　3)在現(xiàn)有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，歸納和總結(jié)了力荷載及熱力荷載作用下層合板三維彈性解答，分別研究

6、了兩類(lèi)荷載作用下復(fù)合材料層合板的響應(yīng)。數(shù)值算例著重以三層[0/90/0]s正交鋪設(shè)層合板為研究對(duì)象，通過(guò)與文獻(xiàn)結(jié)果以及基于ABAQUS軟件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了基于精化整體局部高階理論的層合板單元在熱力荷載作用下的精確性。
　　4)通過(guò)對(duì)不同跨厚比下復(fù)合材料層合板層間應(yīng)力的研究，分析了層間應(yīng)力隨跨厚比的變化規(guī)律，通過(guò)函數(shù)擬合，給出了相應(yīng)的關(guān)系式。此外，以三層層合板為例，計(jì)算了6種典型鋪設(shè)方式下的響應(yīng)，分析了不同鋪設(shè)方式對(duì)層間應(yīng)