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开孔AS4/PEEK热塑性复合材料层合板层间应力的数值分析及实验研究

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第1章 绪论

1.1选题的背景

1.1.1热塑性复合材料简介

1.1.2热塑性PEEK基复合材料的优点及应用

1.1.3选题的意义

1.2热塑性PEEK基复合材料的国内外研究概况

1.2.1实验研究

1.2.2基础研究和数值模拟方面的研究

1.3数字散斑相关方法及其研究进展

1.3.1数字相关方法的提出

1.3.2数字散斑相关方法的应用

1.4本文所做的主要工作

第2章 开孔AS4/PEEK层合板层间应力弹塑性数值分析

2.1前言

2.2 AS4/PEEK复合材料弹塑性本构模型在ANSYS中的实现

2.2.1屈服准则

2.2.2流动准则

2.2.3硬化准则

2.2.4有限元计算有效性的验证

2.3开孔薄层合板静态单向拉伸层间应力分析

2.3.1有限元计算模型

2.3.2计算结果分析

2.4[±25]s4铺层AS4/PEEK开孔厚层合板静态单向拉伸层间应力分析

2.4.1有限元计算模型

2.4.2层合板层间应力的分析

2.4.3层合板表面及侧面的应变场分布

2.5[0/±45/90]2s铺层AS4/PEEK开孔厚层合板静态单向拉伸层间应力分析

2.5.1有限元计算模型

2.5.2层合板层间应力的分布

2.6小结

第3章 基于Matlab平台的数字散斑相关方法

3.1概述

3.2 DSCM的基本原理

3.3基于Matlab平台的散斑相关方法程序的开发背景

3.3.1 Matlab开发平台的优势

3.3.2基于Matlab平台的散斑相关方法程序的特点

3.4基于Matlab平台的散斑相关方法程序的实现

3.4.1图像的初步处理

3.4.2图像的剪裁

3.4.3初搜索

3.4.4搜索算法

3.4.5位移场的平滑和应变场的求出

3.5程序的验证

3.5.1几个简单变形的数值模拟程序

3.5.2非整数象素刚体平动的数值模拟

3.5.3刚体转动的数值模拟

3.5.4均匀拉伸的模拟

3.6引入转动参数的讨论

3.6.1基本思想

3.6.2使用中存在的问题

3.6.3方法的验证

3.7分布式计算的引入

3.7.1基本概念

3.7.2分布式计算的实现

3.7.3散斑相关法分布式计算的实现

3.7.4效果分析

3.7.5小结

3.8本章小结

第4章 开孔层合板孔边及侧面微区应变场散斑相关实验研究

4.1实验的目的

4.2实验设备和试件

4.3[±25]s4厚层合板实验研究

4.3.1第一部分实验

4.3.2第二部分实验

4.4[0/±45/90]2s厚层合板实验研究

4.4.1第一部分实验

4.4.2第二部分试验

4.5本章小结

第5章全文总结

5.1本文所做的工作

5.1.1含孔热塑性复合材料层合板层间应力的研究

5.1.2基于Matlab平台的散斑相关程序的开发

5.1.3微区高应变梯度应变场的散斑相关实验研究

5.2本文的创新点

参考文献

发表论文和科研情况

致谢

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摘要

本文利用三维弹塑性有限元方法研究了开孔热塑性复合材料AS4/PEEK层合板层间应力的分布特点,并将结果与数字散斑相关试验方法所得到的结果进行了对比,以验证有限元方法结果的可靠性。具体来讲,主要包括以下几方面的内容:
   首先利用三维弹塑性有限元研究了开孔的热塑性复合材料AS4/PEEK层合板的层间应力分布特征。计算采用大型有限元软件ANSYS9.0来实现。由于此种类型的复合材料在软件中并无相应的材料模型,为此利用试验结果拟合的方法建立了适合于AS4/PEEK的塑性材料本构模型,并将简单层板的计算结果与试验结果进行了对比,证明了模型的合理性。然后对几种形式的层合板进行了计算:首先是薄的对称角铺设开孔层合板[±θ]s层间应力分布的特征。在此基础上,又讨论了两种典型的厚层合板[±25]s4和[0/±45/90]2s在开孔情况下的层间应力分布特征。分析了铺设角、铺层位置对层间应力的影响,以及各种情况下自由边界效应的特点。计算结果显示:
   1.在所分析模型中,无论何种铺设形式,自由边缘效应都是明显存在的。而且厚板相对于薄板,一般自由边缘效应更明显一些。
   2.对含孔层合板,孔边的自由边缘效应相应于两个自由边界更为明显,层间应力的最大值一般出现在孔边或其附近。
   3.由于材料铺设角度影响,层间应力的最大值一般不在最小横截面(即模型中x=0所对应的横截面)上,而是根据铺设角度的不同有一个偏移量。
   4.所有的层间应力都具有关于孔中心对称的特点。
   5.对于[±25]s4铺设、含中心孔的层合板,层间应力的自由边缘效应具有以下特点:当上下层的材料主轴方向一致时,自由边缘效应表现为较大的层间正应力;当材料主轴方向角符号相反时,自由边缘效应则表现为较大的层间切应力。这种铺设的层合板还有一个重要的特点就是,在自由边界处,层间切应力在最小横截面与自由边界的交线上等于零或近似等于零;而在孔边,则是在纵向平面(xoy平面)与孔边交线上层间切应力等于零或近似等于零。
   6.对[0/±45/90]2s铺设的开孔准各向同性层合板,其层间应力的自由边缘效应具有以下特点:在90/-45及0/90层间,层间正应力的自由边缘效应较为明显;在-45/45和45/0层间切应力的自由边缘效应较为明显。
   7.自由边缘效应对于层间正应力和切应力具有所谓的“互补性”,即如果某一层间层间正应力较小的话,则层间切应力就会比较大,反之亦然。
   其次,借助于目前科学研究领域常用的软件Matlab编写了一套进行散斑相关计算的程序。本程序能够进行完整的散斑图的前处理、散斑相关计算和后处理等功能。具体来讲,做了以下工作:
   1.编制了散斑相关计算的前处理程序,包括:多幅散斑图平均的处理;散斑图的剪裁(通过剪裁变形前的散斑图,得到和变形后散斑图相对应的区域,使散斑搜索能够实现)。
   2.编制了散斑相关计算程序:包括初搜索程序和精细搜索程序两个部分。初搜索程序提供了两种算法进行整数像素的搜索;而精细搜索算法在初搜索的基础上,利用优化算法来寻找亚像素级的匹配点。
   3.编制了散斑的后处理程序,包括位移场的平滑及应变场的求解。
   4.对算法的有效性进行了验证,提出了对刚体转动修正的参考方法。
   5.为提高计算速度,利用Matlab提供的分布式计算引擎,在局域网实现了并行散斑相关计算。
   最后利用数字散斑相关方法研究了开孔AS4/PEEK层合板的孔边及附近微区的应变集中现象。由于孔边是应变的高梯度区,而层合板侧面应变分布十分复杂,单纯采用普通散斑相关方法很难精确进行测量。针对这种情况,研究中采用了三种分辨率的放大镜头来采集散斑图像。其中,放大倍数低的散斑图用来确定应变的集中区,而放大倍数高的散斑图像则用来确定应变集中区的应变数值。由以上的实验结果以及与有限元计算结果的对比,可以得到如下结论:
   1.以上的实验研究证实,采用不同放大倍数的放大镜头采集散斑图,从而实现高应变梯度微区及复杂应变微区的应变分布测量是可行的。
   2.一般来讲,可以利用放大倍数较大的镜头来测量应变集中的部位,而对于应变较小的部位则可以用小放大倍数的镜头来测量。
   3.提高镜头的放大倍数,会同时增大原散斑场的散斑颗粒,降低对比度。所以,用放大倍数较大的镜头进行测量时,需要制备更精细的散斑。
   4.由于散斑法本身固有的缺点,采用低放大率的CCD镜头不能测量到孔边缘处的应变分布。这时通过提高镜头的放大倍数,可以使测量结果更接近孔边缘。
   5.通过将散斑相关方法和有限元方法相比照,发现二者在绝大多数情况下都吻合的较好,说明了用有限元方法计算AS4/PEEK复合材料结构的可行性。

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