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薄弱环节有望解决复合材料结构耐撞性设计

发布于:2011-02-27 11:27:27 来自:建筑设计/建筑资料库 [复制转发]
复合材料具有比强度高、比刚度大、比吸能能力强及可设计性等优点,目前已在国防工业和民用工业,特别是航空航天领域得到了越来越多的应用。近年来,由于复合材料结构耐撞性的重要性和复杂性,所以,复合材料结构耐撞性是工程力学领域的一个研究的热点。本文采用试验和数值模拟相结合的方法,对典型复合材料结构元件的耐撞性进行了系统的研究,还对影响复合材料结构耐撞性的关键问题——薄弱环节进行了比较深入的探讨。论文首先介绍典型复合材料结构元件与结构件(波纹梁、圆柱壳、“T”字形元件、“十”字形元件、“L”字形元件和波纹梁盒段)的准静态轴向压溃试验,给出了其载荷-位移曲线和典型的破坏模式和吸能机理。试验结果表明,设计合理的复合材料结构元件与结构的确具有较好的比吸能能力。建立了运用大型商用有限元软件(MSC/DYTRAN)模拟复合材料结构耐撞性的策略与方法,包括采用等效材料模型和有效的薄弱环节处理的方法。然后,对各种复合材料结构元件的轴向压缩吸能能力进行了数值模拟。数值模拟的结果与试验结果吻合得比较好说明了所建立的模拟复合材料结构耐撞性的策略与方法是可行的。另外,还采用所建立的数值模拟的方法进一步研究了不同薄弱环节设置对复合材料波纹梁元件耐撞性的影响。提出了基于形状记忆合金(SMA)丝可控薄弱环节的概念并采用试验进行了验证。将有预变形的SMA丝埋入或者缠绕于复合材料圆柱壳结构中形成一种新的薄弱环节。温度升到相变温度后,有预变形的形状记忆合金丝将回复到原先的长度,造成结构的局部变形或者引起局部损伤,从而形成可控薄弱环节。该薄弱环节有望解决复合材料结构耐撞性设计中静强度(刚度)与耐撞性之间的矛盾问题。自制了一些试验件并对其进行了试验,初步试验结果表明的确可以形成可控薄弱环节,并可以改善复合材料结构的耐撞性能。最后对全文的研究成果进行了总结,并展望了今后需要进一步开展的研究工作。
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Advanced composite materials are widely used in the industry of national defense and civil, especially in the areas of aeronautics and astronautics, due to their superior property of high specific strength and stiffness, high specific energy absorption, and designable capability. The crashworthiness of composite structures has become a hot research topic in recent years because of its importance and complicated nature. In this thesis, the crashworthiness of typical composite components and structure is explored systemically by using numerical simulations together with the experimental research. Special attention has also been paid on the trigger mechanism, an important issue affecting the energy absorption capability of composite structures.The energy-absorbing capability of typical composite structural elements, such as waved beam, cylindrical shell,“T”shape element,“十”shape element,“L”shape element and corrugated board boxes, under quasi-static axial loading is experimentally investigated first. The load-displacements and typical damage patterns and mechanisms of composite structural elements are obtained. Experimental results demonstrate that well-designed composite structural elements do have a good specific energy-absorption capability.A FEM-based numerical strategy and means is proposed to simulate the crashworthiness of composite structures by using the MSC/DYTRAN FE software, including adopting the equivalent material models and using a simple way to model the trigger mechanism. The energy absorption ability of various composite structural elements under axial compressive loads is then simulated. Numerical results are compared well with experimental results, thus the established FEM-based numerical strategy and means is verified. In addition, the effect of different settings of trigger mechanism on the crashworthiness of waved beams is numerically investigated.The SMA (Shape Memory Alloy) -based controllable trigger mechanism is proposed and experimentally verified. Pre-strained SMA wires are embedded into or winded up onto the composite cylinders to form a new kind of trigger mechanism. The pre-strained SMA wire will shrink back to its original length when it is heated to the transformation temperature, consequently will cause the local deformation, thus a controllable trigger mechanism is formed. This controllable trigger mechanism could solve the contradicted requirements between the structural strength (stiffness) and the crashworthiness. Specimens have been made in the Lab and tested. Preliminary test results show that a controllable trigger mechanism does formed and could improve the crashworthiness of composite structures.The dissertation is ended with the summary remarks and the future research topics in this field.
这个家伙什么也没有留下。。。

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非制冷红外探测器内的铁电薄膜微桥是多层的结构体系。中间一层为智能材料,上下覆盖着金属电极,还有保护层等。如今的红外探测器内的像元数目越来越多,微桥结构也越来越小,对器件的响应灵敏度要求也越来越高,其中所涉及的热学,电学,力学等等方面的问题值得深入研究。先前的研究者对结构内热传播问题的研究只是单纯研究结构内的瞬态或者是稳态的热扩散问题,所分析的结构体系为层状复合结构或者是梯度的非均匀结构,例如热防护结构内的梯度涂层。而将结构内热的传播与智能器件的信号输出相结合起来进行分析还很少。除一些研究者使用有限元软件对结构进行建模分析,或者在实验中测定实际薄膜器件的信号响应之外,还很少见到用相对简化的、解析的方法去分析薄膜的热传导和微桥器件电信号的输出问题。在结构脱层的屈曲分析方面,文献大多都是集中于层状复合材料界面脱层问题,有一些文献分析了结构材料界面裂纹上脱层的屈曲问题。所使用的方法主要是有限元法和结构力学中的梁理论。而用各向同性弹性体的有限变形理论研究脱层的屈曲问题的就比较少,所看到的文献中主要有Wang Wen-Xue[26,27],Loboda和Mityukova[29],Chiu和Erdogan[32]等。这些问题均属于平面应变问题。Madenci和Westmann[46]分析了存在于有限厚度板中面上的圆形脱层在均匀压缩和非均匀压缩载荷情况下的局部屈曲问题。文中考虑到结构的对称性,使得问题变得简单些。Madenci和Westmann分析了层状体系内局部脱层在压缩载荷作用下扩展问题。Madenci et.al分析了基底表面薄层在双轴压缩作用下的圆形脱层问题。Balkan和Madenci分析了热载荷作用下基底表面薄层的圆形脱层问题。Sburlati,Madenci和Guven分析了有限厚度基底与表层间圆形界面脱层的屈曲问题。上面所分析的均为各向同性材料问题的脱层。而对于智能材料与结构内的脱层屈曲,考虑智能材料的耦合效应对临界载荷的影响等问题还没有看到相关的文献。但是这类问题的分析是很有意义的。对于结构内脱层在弯曲作用下发生屈曲的问题,基本上是用有限元法进行分析。在所看到的文献中只有Kardomateas使用了结构力学梁理论,借助于椭圆积分公式对复合材料脱层在纯弯曲作用时的屈曲行为进行了研究,并且和实验进行了对比。而使用有限变形理论和电弹性体的偏场理论去分析智能结构体系内脱层在弯曲载荷作用下发生的屈曲行为还没有查到相关的文献。因此对这方面进行研究,对于智能器件内出现的结构损伤问题也是有借鉴意义的。基于以上的简单综述,对于智能材料结构内的信号响应,以及相关的脱层问题都很值得研究。本文的主要内容分为以下几部分:在第一章中对相关的文献进行了综述,扼要的介绍了结构内热传播问题,以及结构内脱层的屈曲问题。第二章分析红外探测器内铁电薄膜在红外辐射作用下的响应,用级数形式求解了薄膜内热传播,薄膜在热辐射作用下的电压信号响应输出,并且与有关实验结果进行了对比分析。分析结果与实验吻合很好。第三章中对半无限压电体表面金属电极的穿透性脱层的屈曲问题进行了分析。基于有限变形理论和电弹性体的偏场理论,使用Fourier积分变换和相应的边界条件,将问题归结为一组奇异积分方程,应用Muskhelishvili理论和Gauss-Chebyshev多项式将奇异积分方程组离散为齐次线性代数方程组进行求解。用Mathematica编程进行算例分析,给出了不同电极脱层长厚比的临界应变载荷和脱层的屈曲形状,研究了压电体的机电耦合效应对临界载荷的影响。第四章分析有限厚度压电层及其上下表面金属电极的层状结构在电极发生脱层时的屈曲问题。采用第三章的方法分析了电极脱层的临界载荷和相应的脱层屈曲形状。分析了当上、下电极间存在的强电场对脱层屈曲时临界载荷的影响。为了验证屈曲载荷分析结果的正确性,用Patran和Nastran软件对结构进行有限元建模,分析了脱层的临界载荷。通过对比,解析方法和有限元分析的结果十分相近。说明了解析方法和计算过程是正确的。第五章分析了有限厚度压电层及上下电极的层状结构内电极脱层在弯曲载荷作用下的屈曲问题。采用分层法,分析了在不同脱层长厚比时脱层屈曲的临界弯矩、临界曲率。将所得结果与有限元结果进行了比较。两者吻合得很好。第六章对本文作了总结,并展望了本领域的研究方向。

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