CFRP铝合金粘接板作为一种轻质高强的材料,既拥有复合材料较高的比强度、比模量、低密度,同时继承了金属的韧性与抗冲击性能,被广泛应用在汽车、飞机、高速列车等交通工具的轻量化结构上。目前CFRP铝合金粘接板的研究多采用宏观分析方法,内部复合材料的纤维/基体微观变化对其抗冲击性能与损伤行为的影响表征比较困难。本文基于多尺度损伤机制,探索复合材料内部纤维体积比与铺层角度变化对CFRP铝合金粘接板整体力学性能带来的影响。
首先基于纤维/基体微观尺度建立RVE单胞模型,预测单向CFRP预浸料的基本力学弹性参数,并通过RVE模型施加宏观单位载荷计算复合材料宏-微观信息转化的应力放大系数。其次考虑纤维/基体微观初始损伤准则与演化规律,开发复合材料宏-微观渐进损伤演化程序,再结合金属与复合材料粘接面的渐进损伤模型,建立考虑多尺度损伤机制的CFRP铝合金粘接板冲击数值模型,并通过实验验证了数值模型的准确性与可靠性。最后通过数值模拟对CFRP铝合金粘接板在不同纤维铺层角度与不同纤维体积分数下的抗冲击性能进行参数化模拟研究。
通过本文的研究,具体可以得出以下一些
(1)基于纤维/基体尺度建立不同形状的微观RVE模型,在综合考虑计算效率与精度后,选择长方形RVE模型预测单向CFRP预浸料的力学弹性参数;(2)借助微观RVE模型计算应力放大系数实现复合材料计算过程中的宏-微观信息传递,结合MMF失效准则考虑复合材料初始失效与渐进损伤演化的宏微观转换,并考虑CFRP/铝合金粘接界面的内聚力模型,建立CFRP铝合金粘接板的整体结构有限元模型,数值预测结构的抗冲击响应与失效模式,最后通过实验结果对比验证了所建模型的准确性与可靠度;(3)通过对结构的参数化模拟分析,结果表明CFRP铺层角度的变化对CFRP铝合金粘接板的抗冲击性能影响有限,最终的载荷响应与吸能效果都非常相近,只是由于纤维铺层方向的不同,内部复合材料的失效模式有所变化;(4)纤维体积分数对CFRP铝合金粘接板的抗冲击性能影响较大,体积分数较低时,冲击载荷较大,结构损伤范围较广,多以结构弹性变形为主;纤维体积分数较大时,冲击载荷较小,结构损伤范围更局限于冲头接触区域,结构单元失效删除较多。
基于多尺度损伤机制的CFRP铝合金粘接板冲击行为研究,有别于传统的宏观力学性能分析方法,主要从纤维/基体微观尺度出发,考虑复合材料内部纤维体积分数以及纤维铺层角度变化给CFRP带来的力学性能影响,继而深入研究整体CFRP铝合金粘接板结构的抗冲击性能与损伤失效模式。最后可以以本文的研究内容为出发点,在此基础上继续深入研究复合材料内部微观变化(比如纤维/基体界面、内部空隙等等)给结构力学性能代来的影响。
CFRP铝合金粘接板作为一种轻质高强的材料,既拥有复合材料较高的比强度、比模量、低密度,同时继承了金属的韧性与抗冲击性能,被广泛应用在汽车、飞机、高速列车等交通工具的轻量化结构上。
本文首先基于纤维/基体微观尺度建立RVE单胞模型,预测单向CFRP预浸料的基本力学弹性参数,并通过RVE模型施加宏观单位载荷计算复合材料宏-微观信息转化的应力放大系数。其次考虑纤维/基体微观初始损伤准则与演化规律,开发复合材料宏-微观渐进损伤演化程序,再结合金属与复合材料粘接面的渐进损伤模型,建立考虑多尺度损伤机制的CFRP铝合金粘接板冲击数值模型,并通过实验验证了数值模型的准确性与可靠性。最后通过数值模拟对CFRP铝合金粘接板在不同纤维铺层角度与不同纤维体积分数下的抗冲击性能进行参数化模拟研究。最终研究结果表明纤维铺层方向对粘接板的抗冲击力学性能影响较小,而复合材料内部纤维体积分数对整体粘接板的冲击行为影响较大。
碳纤维增强聚合物(CFRP)铝合金粘接板作为一种轻质高强的材料,被广泛用在飞机、汽车、高速列车等轻量化结构上。研究首先基于纤维/基体微观尺度建立代表性体积单元(RVE)单胞模型,预测单向CFRP的基本弹性力学参数,并通过RVE模型施加宏观单位载荷计算宏-微观应力放大系数。其次考虑纤维基体微观失效准则与演化规律,开发复合材料宏-微观渐进损伤演化程序,再结合金属与复合材料粘接面的损伤模型,建立多尺度损伤机制的CFRP铝合金粘接板冲击仿真模型,并通过实验验证了数值模型的准确性与可靠性。最后通过数值模拟对CFRP铝合金粘接板在不同纤维铺层角度与不同纤维体积分数下的抗冲击行为进行参数化研究,结果表明纤维铺层方向对粘接板的抗冲击力学性能影响不大,而纤维体积分数对结构的冲击行为影响较大。
功能梯度材料(FGM)夹层结构是一种新型复合材料夹层结构。与蜂窝、泡沫等夹层结构相比,FGM夹层结构通过使组分材料在空间上连续分布,可消除相邻层界面的接触热阻和应力失配,因此FGM夹层结构被广泛运用于高温工程领域。为研究复杂高温工况下FGM夹层板沿厚度方向的传热过程,提出一种基于增量微分求积单元法(IDQEM)的数值分析模型,系统分析了一些关键参数对FGM夹层板传热的影响。
为应用IDQEM,沿层界面将FGM夹层板划分为三个空间子域,同时将整个受热过程划分为若干时间子域。采用微分求积技术对任一时间子域内的控制方程、初始条件、界面条件以及边界条件进行离散处理。由于所获得的离散方程建立在不同区域的节点上,因此对方程进行修改并将其表示为矩阵形式,以便它们可以建立在同一区域中。采用Kronecker积将联立的矩阵方程转化为一系列代数方程组,并采用Newton-Raphson迭代法近似求解,即可获得单个时间子域内的温度解。由于每个时间子域的初始条件可由上一个时间子域最终时刻的温度分布决定,因此从第一个时间子域逐渐递推到最后一个子域,即可获得整个受热过程的温度分布。通过数值算例讨论了本方法的收敛性与正确性。最后,讨论了热工参数温度依赖性、体积分数指数以及热边界条件对FGM夹层板温度分布的影响。
从数值结果可以看出IDQEM具有快速收敛性。与已有文献中基于有限差分法(FDM)的数值解和基于Laplace变换法的解析解的对比,可以验证本方法的正确性。参数化分析结果表明:①对于SUS304/Si3N4夹层板,不考虑材料热工参数温度依赖性状态较考虑温度依赖性状态具有更快的热传导,且两种状态下的温度差异随着表面温度的上升而增加。当上表面温度为600 K时, = 0.01 s、0.02 s、0.03 s三种时刻下的中部温度差异分别达到了12.00%、12.21%、10.41%。②在FGM夹层板受热初期,FGM芯层的体积分数指数对温度分布几乎无影响,但随着加热时间的增长,对温度分布的影响越发显著。当 = 2000 s时,随着从0.2增加到5,Ti-6Al-4V/ZrO夹层板下表面温度从350 K增加到414 K,而上表面温度从1036 K减少到1021 K。③当FGM夹层板受恒定热流作用时,其内部温度随着时间和位置的变化单调变化。然而当热流随时间先增后减时,等温线出现“U”型转折。
基于IDQEM的FGM夹层板非线性瞬态传热分析,考虑了组分材料所有热工参数的温度依赖性以及时变对流辐射条件,适用于复杂高温工况下FGM夹层板的温度场预测。相比传统的数值方法如FDM,本方法具有高精度和高计算效率的优势。参数化分析揭示了材料热工参数的温度依赖性是准确预测板内温度分布的关键因素,尤其是在高温工况中。
功能梯度材料(FGM)夹层结构是一种新型复合材料夹层结构。通过使组分材料在某一方向连续分布,FGM夹层结构的热力学性质在空间内表现为连续变化。相较于传统的蜂窝、泡沫夹层结构,FGM夹层结构可以消除相邻层界面的接触热阻和应力失配,因此被广泛运用于高温工程领域,如飞行器和核反应堆。深入了解FGM夹层结构的传热过程,对其设计和制造具有重要意义。
本文首次尝试采用增量微分求积单元法(IDQEM)开展了FGM夹层板的一维非线性瞬态传热分析。考虑了所有热工参数的温度依赖性以及时变热边界条件,以提高板内温度场预测的准确性。为应用IDQEM,沿层界面将夹层板划分为三个空间子域,同时将整个受热过程划分为若干时间子域。采用微分求积技术对任一时间子域内的控制方程、初始条件、界面条件以及边界条件进行离散处理,并基于矩阵原理对离散方程进行修改,接着采用Newton-Raphson迭代法近似求解,获得单个时间子域内的夹层板温度解。最后采用递推的方式,即可获得整个受热过程的温度分布。数值算例验证了本方法的快速收敛和高精度优势,并讨论了一些关键参数对FGM夹层板温度分布的影响。结果表明:材料热工参数的温度依赖性是准确预测FGM夹层板温度分布的关键因素,尤其是在高温分析中;在早期阶段,FGM芯层的体积分数指数η对夹层板的温度分布几乎无影响,但随着加热时间的增长,η对温度分布的影响越发显著;当FGM夹层板受恒定热流作用时,其内部温度随着时间和位置的变化单调变化,然而当热流随时间先增后减时,等温线出现“U”型转折。
FGM夹层板的温度时空分布
作为首次尝试,采用增量微分求积单元法(IDQEM)开展了功能梯度材料(FGM)夹层板的一维非线性瞬态传热分析。夹层板组分材料的热工参数随空间位置变化,且具有温度依赖性。基于IDQEM,沿层界面将夹层板划分为3个空间子域,同时将整个受热过程划分为若干时间子域。采用微分求积技术对任一时间子域内的控制方程、初始条件、界面条件及边界条件进行离散处理。由于所获得的离散方程建立在不同区域的节点上,因此对方程进行修改并将其表示为矩阵形式,以便它们可以建立在同一区域中。采用Kronecker积将联立的矩阵方程转化为一系列代数方程组,并采用Newton-Raphson迭代法近似求解,即可获得单个时间子域内的温度解。由于每个时间子域的初始条件可由上一个时间子域最终时刻的温度分布决定,因此从第一个时间子域逐渐递推到最后一个子域,即可获得整个受热过程的温度分布。数值算例验证了本方法的快速收敛性,与已有文献的解析和数值结果的对比验证了本方法的正确性。最后,讨论了热工参数温度依赖性、体积分数指数及热边界条件对FGM夹层板温度分布的影响。
作为首次尝试,采用增量微分求积单元法(IDQEM)开展了功能梯度材料(FGM)夹层板的一维非线性瞬态传热分析。夹层板组分材料的热工参数随空间位置变化,且具有温度依赖性。基于IDQEM,沿层界面将夹层板划分为3个空间子域,同时将整个受热过程划分为若干时间子域。采用微分求积技术对任一时间子域内的控制方程、初始条件、界面条件及边界条件进行离散处理。由于所获得的离散方程建立在不同区域的节点上,因此对方程进行修改并将其表示为矩阵形式,以便它们可以建立在同一区域中。采用Kronecker积将联立的矩阵方程转化为一系列代数方程组,并采用Newton-Raphson迭代法近似求解,即可获得单个时间子域内的温度解。由于每个时间子域的初始条件可由上一个时间子域最终时刻的温度分布决定,因此从第一个时间子域逐渐递推到最后一个子域,即可获得整个受热过程的温度分布。数值算例验证了本方法的快速收敛性,与已有文献的解析和数值结果的对比验证了本方法的正确性。最后,讨论了热工参数温度依赖性、体积分数指数及热边界条件对FGM夹层板温度分布的影响。