低速沖擊下?lián)p傷層合-功能梯度板殼的非線性動力學研究.pdf

1、本論文以層合復合材料/功能梯度板殼為研究對象,綜合考慮損傷效應、物理非線性、幾何非線性、環(huán)境溫度等因素,系統(tǒng)地研究了低速沖擊下層合復合材料/功能梯度板殼的動力響應、基體損傷、界面損傷等問題,揭示了層合復合材料/功能梯度板殼在低速沖擊下的非線性動力學特性和損傷機理。其研究工作不僅豐富了接觸力學和沖擊損傷理論,同時,具有重要的工程應用價值。本論文的主要研究內(nèi)容如下。
　　 基于中厚殼幾何非線性理論和損傷理論,采用應變描述的失效準則,

2、導出了層合中厚淺球殼含基體損傷和纖維-基體剪切損傷的損傷本構關系,并假設每一單層沿厚度方向有相同的損傷程度,建立了低速沖擊下用位移分量表示的軸對稱正交對稱鋪設層合中厚淺球殼的非線性運動控制方程。將未知位移函數(shù)在空間域采用正交配置法離散,時間域采用Newmark-β方法離散,對整個問題進行迭代求解。具體討論了基體損傷、沖擊速度以及結構的幾何尺寸等對低速沖擊下結構所受的沖擊載荷和結構的非線性動力響應的影響。
　　 根據(jù)Reddy的高

3、階剪切變形理論,建立復合材料層合中厚板的位移場和VonKarman型幾何關系,并采用Takeja張量內(nèi)變量損傷模型,建立了具基體損傷復合材料層合中厚板的彈性損傷本構關系;然后基于Hertz接觸理論,得到考慮法向接觸力和切向接觸力同時變化時的接觸力和接觸變形關系,并據(jù)此建立了彈性小球低速斜沖擊下復合材料層合中厚板的沖擊動力學模型。綜合運用有限差分法、Newmark-β和迭代法,求解了低速沖擊下具損傷復合材料層合中厚板的非線性動力響應問題,

4、討論了沖擊角度、沖擊速度和結構幾何尺寸等對斜沖擊作用下復合材料層合中厚板的非線性動力響應和結構損傷的影響。
　　 基于彈塑性理論,建立了一個與應力球張量有關的正交各向異性材料的混合硬化屈服準則,并根據(jù)幾何非線性理論和損傷理論,采用基于應變描述的Hashin失效準則,導出了層合中厚淺球殼含層內(nèi)損傷的增量型彈塑性損傷本構關系,并運用改進的彈塑性接觸模型建立了系統(tǒng)的沖擊動力學模型,在此基礎上建立了低速沖擊下軸對稱正交對稱鋪設彈塑性層合

5、中厚淺球殼的增量型非線性運動控制方程。在數(shù)值分析中,討論了低速沖擊下結構內(nèi)部的損傷發(fā)展、彈塑性變形以及結構的幾何尺寸等對結構的非線性動力響應和接觸力的影響。
　　 采用適用于功能梯度淺球殼的接觸模型,建立了在剛性小球低速沖擊下具功能梯度涂層淺球殼的沖擊動力學模型;采用基于連續(xù)體損傷理論的粘結域損傷模型建立界面損傷本構關系,并由此得到低速沖擊下用位移分量表示的具功能梯度涂層彈性淺球殼的非線性運動控制方程。采用配點法和Newmark

6、-β方法對整個問題進行迭代求解。數(shù)值算例中,分析了低速沖擊下功能梯度材料指數(shù)、涂層厚度等對界面損傷的影響,并討論了界面損傷對低速沖擊下具功能梯度涂層彈性淺球殼的非線性動力響應和接觸力的影響。
　　 根據(jù)一維熱傳導方程,求解了受沿厚度變化溫度荷載作用時功能梯度淺球殼內(nèi)的溫度場,其中考慮了功能梯度材料參數(shù)與溫度相關的特性;然后基于功能梯度結構的二維軸對稱接觸模型,推導出彈性小球與功能梯度淺球殼的接觸模型,模型中考慮了接觸過程中彈性小

7、球的變形,并由此得到功能梯度淺球殼在彈性小球低速沖擊下的沖擊動力學模型;通過建立功能梯度中厚淺球殼的幾何關系,以及與溫度相關彈性常數(shù)沿厚度呈指數(shù)分布形式時功能梯度材料的本構關系,從而建立了低速沖擊下用位移分量表示的軸對稱功能梯度中厚淺球殼的非線性運動控制方程。對未知位移函數(shù)在空間域采用正交配點法離散,時間域采用Newmark-β方法離散,整個問題采用迭代法求解。數(shù)值算例中,討論了彈性小球低速沖擊下功能梯度中厚淺球殼的非線性動力響應和接觸

8、力變化,以及功能梯度材料參數(shù)、溫度環(huán)境以及結構幾何參數(shù)等對沖擊接觸力和結構非線性動力響應的影響。
　　 基于連續(xù)體介質損傷理論,建立了各向異性材料的損傷本構關系,并據(jù)此將功能梯度板分成Ⅳ層,且假設在每一單層內(nèi)功能梯度材料常數(shù)和損傷沿厚度不變化,建立了彈性模量沿厚度呈指數(shù)分布形式時功能梯度材料含面內(nèi)損傷的本構關系;通過ABAQUS/Explicit模塊中的子程序VUMAT嵌入功能梯度材料的損傷本構關系,并基于此進行了低速沖擊下功能