复合材料的湿热力耦合响应及损伤研究

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纤维增强复合材料具有许多优点,被广泛应用于航空、航天等各个工程领域。但是其在使用过程中会不可避免地承受温度变化、湿度变化及外部载荷的耦合作用,致使结构内部产生损伤,严重影响复合材料整体结构的力学性能。目前国内外对该课题的研究主要以实验分析为主,理论研究较少,尚未形成一套成熟的易于接受并可以被工程广泛使用的分析与评定方法。开展含损伤的复合材料在湿、热、力耦合作用下的弹性响应研究,对复合材料的结构设计、制造、使用、维护和寿命预测以及新材料的开发研究方面都具有重要的工程意义。本文对于层合结构在湿、热、力耦合作用下的弹性响应研究,利用经典层合板理论,分析了复合材料对称层合板的极限破坏载荷与极限破坏强度的计算过程,并以碳纤维增强环氧树脂基复合材料层合板CCF300/5228为例,利用Hoffman强度理论与部分破坏假设,分别对其两种不同铺层方案进行了湿、热、力耦合作用下的强度分析,比较了两种铺设方案的初始层破坏载荷、初始层破坏强度与极限破坏载荷、极限破坏强度,给出了具体的理论解。针对目前所有的结构分析软件均不能进行“湿”响应分析,利用MATLAB软件进行程序编制,给出了纤维增强树脂基复合材料层合板结构完整的湿响应分析程序,并应用程序对上述已给出理论解的问题进行了分析计算,证明所编制的程序正确可靠。对于含损伤复合材料在湿、热、力耦合作用下的弹性响应研究,利用经典的热力学基本理论,避开了古典损伤理论中的常用假定,并利用张量分析的有关理论,建立了湿热弹性各向异性复合材料损伤的普遍理论,推导出含损伤的复合材料在湿、热、力耦合作用下的全部本构方程,包括比自由能本构方程、应力-应变本构方程、熵密度本构方程、损伤应变能释放率本构方程、吸湿对偶力本构方程、损伤与湿、热、力耦合作用下的热传导本构方程以及损伤演变本构方程,从而建立了湿热弹性复合材料损伤问题的完整理论描述,最后,从细观力学与实验观测的两个角度,举例说明了在三种常见的损伤形式下,复合材料湿热弹性损伤的各本构方程中的损伤效应张量函数与系数张量的确定方法。本文综合考虑了环境温度与湿度的变化、外部载荷以及内部损伤的耦合因素,为分析实际工程中变温、变湿等复杂恶劣环境下复合材料的损伤问题提供了重要的理论依据。
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