纤维复合材料层合圆管轴向压缩失效理论与实验研究

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1、摘要.曰....口........._____一一~~~~~‘~~‘~~.目，.州......摘要随着越来越多的复合材料缓冲元件在诸如汽车和飞机等运动结构的撞击防护系统中的应用，以及作为防撞元件的复合材料薄壁管的优越缓冲性能逐渐为人们所认识，它的轴向渐进压缩失效特性己引起人们的关注。在过去的二十几年里，人们对复合材料薄壁结构的耐撞性进行了大量的研究工作，许多著名的汽车和飞机制造公司及研究机构对此进行了一系列广泛和深入的研究，尤其是对复合材料薄壁圆管的吸能特性的研究。大量研究表明在压缩过程中纤维复合材料薄壁圆管具有稳定的失效特征和极好的耐撞性。复合材料薄壁圆管的轴向压缩破坏问

2、题的研究也是材料破坏的一个重要研究领域。它的研究对于运动结构撞击防护系统的设计有着重大的意义。际文在系统总结这一领域现有研究工作的基础上，对下列问题进行研究。、基于复合材料薄壁圆管的层状结构特征，以及轴向压缩破坏模式，本文提出复合材料圆管分层断裂的概念，并首次系统利用断裂力学方法研究受轴向压缩载荷作用复合材料圆管的破坏行为。结合层板的分层断裂的研究成果建立了一个层合复合材料圆管分层断裂模型。即，假设在环向存在具有宏观尺寸的贯穿裂纹，环向变形作用相当于弹性基础上的梁。并以能量释放率作为断裂研究的控制参量。利用该模型本文得到一些重要的结论，并给出压缩载荷临界判据。利用该模型研究

3、复合材料圆管的轴向压缩承载行为，为后继动力轴向压缩问题的研究奠定基础。随后，为了进一步研究复合材料圆管的破坏行为，在考虑薄壁圆管发生环向损伤的假设下利用脆性损伤模型对上述分层断裂模型进行修正。研究表明，基于环向损伤假设的分层断裂模型能更为准确地描述复合材料圆管轴压破坏行为。通过与实验结果的比较，证明该模型能很好地反映圆管的逐段渐进压缩失效行为。基于损伤的分层断裂分析也是纤维复合材料破坏研究在理论上的一次新探索。知一本文对不同纤维铺设方式的玻璃纤维/环氧树脂、玻璃纤维/乙烯聚酚薄壁复合材料f16)，型圆管进行一系列深入的实验研究。准静态轴向压缩实验是在MTS-810材料试验机

4、上进行的，动态轴向压缩实验是在自行设计的落观锤式冲击装置上完成过实验研究得到大量准静态和动态的实验数据、同F察了复合材料圆管的形式、并研究了它的轴向压缩行为的影响因素/哈尔滨工业大学工学博士学位论文时，本文还探讨复合材料圆管的压缩失效的破坏机理以及端部削弱对轴向压缩行为和破坏模式的影响。这些研究工作为理论分析提供了重要的实验依据。最后，在上述理论和实验研究的基础上，本文对作为撞击防护元件的复合材料薄壁圆管的缓冲性能给出评价。对它的单位质量撞击耗散能、压缩过程中有效承载能力、渐进稳定破坏的发生条件以及对撞击速率的敏感程度给出研究结论。利用能量方法建立一个简化计算方法，通过与实

5、验相比表明该简化方法理论计算与实验结果是一致的。、，乡关键词复合材料圆管;轴向压缩;分层断裂;失效模式摘要ABSTRACTWithmoreandmorefiberreinforcedcompositeattenuationcomponentsbeingusedincollisionavoidancesystemofvehiclesandaircrafts,theaxialprogressivecrushingofcompositetubeshasdrawnmuchattentionduetoit'sadvantageintheimpactenergyabsorption.I

6、nthepasttwodecadesaconsiderableamountofresearchhasbeenundertakenonstructuralcrashworthinessofcompositethin-walledtubes.Manywell-knownautomobileandaerospacecorporationsandagencieshavecarriedoutaseriesofextensiveexperimentalandtheoreticalinvestigationsinthisfield,onthefiberreinforcedcomposit

7、e(FRC)thin-walledcirculartubesinparticular.Itisshownthatthin-walledcirculartubespossessthesteadyfailurecharacteristicsandsuitablecrashworthy.Researchonthedamageoffiberreinforcedcompositethin-walledcirculartubesastheenergyabsorptionelementisanimportantfieldinda