双稳态复合材料层合结构的粘弹性行为研究.doc

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1、中国力学大会-2015双稳态复合材料层合结构的粘弹性行为研究陈丹迪*，张征*，+，柴国钟**（浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室，浙江杭州310032）+（SchoolofCivilEngineering,TheUniversityofQueensland,StLucia,QLD4072,Australia）摘要双稳态复合材料拥有优异的力学性能和可展开特性，在航空航天和智能材料领域具有广阔的应用前景。现有基于弹性本构模型的双稳态复合材料结构研究已经取得了诸多成果，但对其结构自身所具有的粘弹性性能的研究还比较少。在高温条件下纤维/树脂基材料

2、的粘弹性特性表现的更加明显，而航空航天结构经常会遇到这些恶劣的环境，因此很有必要对其粘弹性性能进行研究。双稳态复合材料由基体材料与增强材料组成，基体一般为树脂等高聚物，增强材料主要为纤维材料。由于高聚物的粘弹性相比纤维材料要显著很多，本研究将纤维简化为弹性材料，只考虑基底的粘弹性。根据碳纤维的弹性材料属性和基底的粘弹性材料属性通过理论分析的方法得到碳纤维复合材料单层板的粘弹性材料属性。之后，建立反对称铺设的双稳态复合材料的有限元模型，通过对考虑粘弹性和不考虑粘弹性的有限元结果的比较，预测双稳态复合材料层合板的粘弹性响应，并研究了粘弹性对结构双稳态性能的影响。关键词粘

3、弹性，双稳态结构，复合材料层合板壳，有限元模拟1）基金资助项目：国家自然科学基金（51205355）；浙江省自然科学基金（LY15E050016）；教育部高等学校博士学科点专项科研基金(20123317120003)；中国博士后科学基金(2013M540498).2）Email：zzhangme@zjut.edu.cn中国力学大会-2015引言双稳态复合材料结构作为一种新型可变形结构，具有伸展和卷曲两种稳定状态，在外载荷的驱动下可以在两种状态进行转换，并且在不需要外力维持下能够保持在某一稳定状态[1-2]。这种碳纤维复合材料结构具有比强度大、力学性能优越和空间利用率

4、高等优点[3]，在飞机可变形机翼、航天可展开结构等场合得到越来越广泛的应用[4]。然而，这些应用场合都会遇到高温、潮湿等极端条件，而这种以聚合物作为基底的碳纤维复合材料在高温条件下性能会发生很大变化，对其双稳态特性会产生较大影响[5]。其中，在高温下（尤其是超过玻璃态转变温度时）基底的粘弹性性能的变化是一个非常重要的影响。目前，大多数研究者都是对一般的复合材料板的粘弹性性能进行研究，而对于双稳态复合材料尤其是反对称铺设的双稳态复合材料壳结构的粘弹性性能研究还欠缺。A.Brinkmeyer等人[6]对编织型的双稳态复合材料的粘弹性响应进行了研究。BingWang等人[

5、7]对正交铺设的双稳态复合材料壳在制备过程中受到的粘弹性预应力的影响进行了研究。ABAQUS有限元软件拥有强大的非线性分析能力，对于双稳态材料在变形过程中存在的几何非线性有着很强的解决能力。同时，ABAQUS能够允许用户通过UMAT等子程序添加自定义本构关系的材料。因此，我们采用ABAQUS的UMAT来自定义反对称铺设的碳纤维复合材料的粘弹性本构模型并采用ABAQUS/standard对其稳态转变过程进行求解。1双稳态复合材料壳结构的粘弹性有限元分析1.1碳纤维复合材料的粘弹性材料属性碳纤维复合材料性能由增强相碳纤维的性能和基底材料的性能共同决定。其中，碳纤维的性能

6、比较稳定，因此我们将碳纤维简化为弹性的，基底材料受温度影响较大，在此只考虑基底材料的粘弹性。中国力学大会-2015已知碳纤维的材料常数如表1所示，基底的粘弹性模型采用Maxwell[8]模型，材料属性如表2所示。表1碳纤维弹性材料属性轴向横向轴向拉伸模量EA168.4GPa横向拉伸模量ET24.8GPa纤维体积分数Vf60％轴向剪切模量GA44.1GPa横向泊松比νT0.005轴向泊松比νA0.443中国力学大会-2015表2基底粘弹性材料属性杨氏模量E0松弛时间τ泊松比νm4.08GPa39.17min0.331Barbero和Luciano[9]利用傅里叶变换的

7、方法来根据纤维与基底的材料属性得到碳纤维复合材料单层板的粘弹性材料属性，利用这种方法可以求得碳纤维复合材料单层板的粘弹性材料属性如表3所示，取纤维的轴向为1方向，纤维横向为2,3方向：；；；。(1)表3碳纤维复合材料单层板的粘弹性材料属性杨氏模量剪切模量泊松比(E1)0102.417GPa(G12)0=(G13)05.5538GPaν12=ν130.4010τ116551minτ12=τ1344.379min(E2)0=(E3)011.975GPa(G23)05.0373GPaν230.1886τ2=τ258.424minτ2354.445min1.2ABAQU