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复合材料的研究、应用及生产规模已经成为衡量一国先进生产力的突出性指标之一。复合材料在比强度、比刚度、耐腐蚀性等众多性能上有独一无二的优势,在各行各业中都占有一席之地。 复合材料夹芯结构在横向面外力作用下的极限承载能力预估,对于船舶、潜器等结构物的外板受弯曲载荷如均布力时的力学行为研究有重要意义。本文旨在研究复合材料夹芯结构的横向载荷极限强度并讨论其影响因素。全文分为六章:第一章阐述了课题背景;第二章奠定了课题理论基础;第三章至第四章分别从试验、数值模拟两方面研究了复合材料夹芯结构的横向载荷极限强度;第五章对影响该极限强度的五种因素分别进行了讨论并优化;第六章对全文进行了总结并做出展望。 本文首先求解出复合材料夹芯板面板与芯材分别需要的独立弹性常数数量,列举了复合材料板力学问题的理论分析方法并逐一进行评价,并提出本文对于夹芯结构受弯曲极限载荷时力学行为的考虑。接着提出本文的渐进失效模型:以原创MSH方法判断局部失效;提出针对纤维布的四组对应退化系数;以无法继续加载作为试验时判断极限载荷的标准;以ABAQUS中Riks方法求得的载荷位移曲线顶点作为数值模拟时的对应判断标准。 然后对作者参与的一项复合材料夹芯板JX-1横向外载极限强度试验与一项夹芯板钢架结构 SJ-1横向外载极限强度试验进行了介绍,得到了关键处如板中心点的挠度随加载载荷变化的趋势。之后详细分析和解释了基于ABAQUS的复合材料夹芯板横向载荷极限强度的各求解要点。通过JX-1夹芯板、SJ-1夹芯板钢架结构关键点处载荷位移曲线数值解与试验解的对比,验证了模型的正确性。并通过研究渐进损伤过程证明了芯材与界面粘结在破坏步损伤情况良好且不是破坏产生的诱因,而短边纤维断裂、纤基剪切与加载处的压缩分层才是导致试验中各裂纹产生的主要原因。 最后,本文采用单一变量法对影响夹芯板横向载荷下极限强度的因素如荷载分布、边长比、铺层角、厚度以及芯材比例进行了分析。其中,在对芯材比例的讨论中引入了重量作为参考因素并进行优化,得到最优芯材比例为65.1%。基于该优化值重建了夹芯板钢架结构模型 SJ-2,指出虽然优化后的结构极限承载能力稍微降低,却大幅提高了该结构的轻量性。 本文使用渐进损伤方法求解得到的面外横向力下的极限载荷与试验结果较为相符,证明模型能对该种形式载荷下复合材料夹芯结构的破坏特性作出较好预测,此外,文中于影响因素的讨论也对夹芯结构的优化有一些参考价值。