【摘要】：復合材料由于其優(yōu)良的力學物理性能已經(jīng)廣泛被應用于航空航天、船舶工程、建筑工程、車輛制造工業(yè)和機械工程等不同領域。然而在復合材料制造、加工和使用過程中往往會伴隨有劇烈的溫度變化,由于層合板層間材料屬性的不同,層合板內部會產(chǎn)生顯著的溫度應力。這些溫度應力會大到足以使結構產(chǎn)生過大的變形,甚至導致層合板結構纖維的斷裂、剝離和基體的破壞。因此,為了最大限度的保證復合材料層合結構的安全可靠,準確預測熱荷載作用下復合材料層合板中的應力分布情況是一個重要的科學問題。本文首先對層合板理論研究現(xiàn)狀進行了詳細綜述,總結了各種理論的優(yōu)缺點。其中整體-局部高階剪切變形理論,對于復合材料層合板,此方法可以直接應用本構方程計算面內應力和橫向剪切應力。該理論在效率和精度上取得了很好的平衡。因此,本文的工作基于此理論展開。其次詳細推導了整體-局部高階剪切變形理論,在整體-局部理論初始位移模式的基礎上引入層問位移連續(xù)條件、橫向剪切應力連續(xù)條件和自由面應力邊界條件,得到僅含有11個整體位移未知量的整體-局部高階剪切變形最終位移模式,為分析層合板在熱荷載、力荷載、熱-力荷載下的響應分析奠定了理論基礎。針對熱荷載作用下的層合板及夾層板結構響應分析,首先對層合板溫度場和熱荷載作用下三維線彈性解進行了整理和總結。應用Navier's雙極數(shù)展開方法給出了四邊簡支層合板的解析解。對三層0。/90。/0。四邊簡支層合板和0。/core/0°四邊簡支層合板,分別計算了沿厚度均布熱荷載、梯度分布熱荷載、熱傳導求解分布熱荷載作用下的響應,與其他學者公開發(fā)表的結果進行詳細的對比,結果表明整體-局部高階剪切變性理論對求解復合材料層合板熱響應分析問題具有明顯的優(yōu)勢。同時對比了熱傳導方程解出的溫度場與線性假定溫度場作用下層合板的熱響應,結果顯示一個不當?shù)臏囟葓龅募俣〞䦟е聦雍习鍩犴憫妮^大誤差產(chǎn)生。在熱荷載作用的基礎上,給出熱-力荷載作用下四邊簡支層合板的解析解,并對力荷載及熱-力荷載作用下層合板三維線彈性解進行總結。數(shù)值算例重點對三層0。/90。/0。四邊簡支層合板在力荷載和熱-力荷載作用下的典型算例進行研究,與其他學者公開發(fā)表的文獻結果以及Abaqus有限元解進行了對比,驗證了整體-局部高階剪切變性理論求解復合材料層合板熱-力荷載下響應分析問題的適用性和精確性。最后通過采取改變層合板鋪層的方向、順序的優(yōu)化思路,對層合板進行鋪層優(yōu)化設計,達到減小層間應力,提高復合材料抵抗分層能力的目的。優(yōu)化設計分為兩步：第一步對鋪設角度進行優(yōu)化,設計了6種典型的鋪設角度組合：第二步對鋪設順序進行優(yōu)化,在第一步找到的較優(yōu)鋪設角度組合基礎上,設計了新的8種不同鋪層順序方案。
[Abstract]:Composite materials have been widely used in aerospace, ship engineering, building engineering, vehicle manufacturing industry and mechanical engineering due to their excellent mechanical and physical properties. However, in the process of manufacturing, processing and using of composite materials, there are often severe temperature changes. Due to the different properties of laminated materials, significant temperature stress will occur in laminated plates. These thermal stresses will be large enough to cause excessive deformation of the structure, and even lead to the fracture, stripping and matrix destruction of laminated structure fibers. Therefore, in order to ensure the safety and reliability of composite laminates to the maximum extent, it is an important scientific problem to accurately predict the stress distribution in composite laminates under thermal loading. In this paper, the current situation of laminated plate theory is reviewed in detail, and the advantages and disadvantages of these theories are summarized. For laminated composite plates, the in-plane stress and transverse shear stress can be directly calculated by the constitutive equation. The theory achieves a good balance in efficiency and precision. Therefore, the work of this paper is based on this theory. Secondly, the global-local high-order shear deformation theory is derived in detail. Based on the initial displacement model of the global-local theory, the continuous condition of layered displacement, the continuous condition of transverse shear stress and the boundary condition of free surface stress are introduced. Finally, the final displacement model of global and local high-order shear deformation containing only 11 global displacement unknowns is obtained, which lays a theoretical foundation for the analysis of laminated plates under thermal load, force load and thermal-force load. According to the response analysis of laminated plates and sandwich plates under thermal load, the temperature field of laminated plates and the three-dimensional linear elastic solutions under thermal load are summarized. The analytical solution of simply supported laminated plates with four edges is given by using Navier's 's bipolar expansion method. Yeah, three layers, 0.r90.0.0.0.0.0.0.0.0.0.0. Four side simply supported laminated plates and 0./core/0 擄four side simply supported laminated plates are calculated, respectively. The thermal loads are distributed along the thickness, the thermal loads are distributed gradient, and the responses under the distributed thermal loads are solved by heat conduction. Compared with the published results of other scholars, the results show that the theory of global and local high order shear denaturation has obvious advantages in solving the thermal response analysis of composite laminated plates. At the same time, the thermal response of the laminated plate under the action of the temperature field calculated by the heat conduction equation is compared with that of the linear assumed temperature field. The results show that the assumption of an improper temperature field will lead to a large error in the thermal response of the laminated plate. Based on the effect of thermal load, the analytical solution of simply supported laminated plates with four edges under the action of thermal-force load is given, and the three-dimensional linear elastic solution of the laminated plate under the action of force load and thermal-force load is summarized. Numerical examples focus on the three layers of 0. / 90. The typical numerical examples of simply supported laminated plates with four edges subjected to force and thermal-mechanical loads are studied and compared with the results published by other scholars and the Abaqus finite element solution. The applicability and accuracy of the global-local high-order shear denaturation theory for the response analysis of composite laminated plates under thermal-mechanical loads are verified. Finally, by changing the direction and sequence of laminated laminates, the optimal design of laminated plates is carried out to reduce the interlaminar stress and improve the anti-delamination ability of composite materials. The optimization design is divided into two steps: the first step is to optimize the laying angle, and six typical laying angle combinations are designed; the second step is to optimize the laying sequence, based on the better laying angle combination found in the first step. Eight new schemes of different layering sequence are designed.
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TB33

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本文編號：2358802