和热载下的层间应力动态响应的数值模拟--修改.doc

1、正交异性层合板在力载和热载下静、动态响应的数值模拟The numerical simulation of static and dynamic response of orthotropic laminated plates under thermal -mechanical loads作 者 姓 名 陈 磊 学 位 类 型 学 历 硕 士 学 科、专 业 固体力学 研 究 方 向 复合材料结构分析和设计 导 师 及 职 称 盛宏玉 教授 2012 年 4 月合 肥 工 业 大 学本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕士学位论文质量要求。答辩委员会签名：（工作单位、职称）主 席

2、：委 员：导 师： 独 创 性 声 明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 合肥工业大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签字： 签字日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 合肥工业大学 有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权 合肥工业大学 可以将学位论文

3、的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文者签名： 导师签名： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日学位论文作者毕业后去向：工作单位： 电话：通讯地址： 邮编：正交异性层合板在力载和热载下静、动态响应的数值模拟摘 要复 合 材 料 层 合 板 的 以 其 比 强 度 高 、 比 刚 度 大 的 优 点 而 在 飞 行 器 上 面 的 广 泛 应用 ， 而 且 层 合 结 构 单 元 已 经 成 为 21 世 纪 飞 行 器 的 基 本 结 构 单 元 ， 同 时 复 合 材料 层 合

4、 板 也 有 自 身 的 缺 点 ， 即 破 坏 形 式 复 杂 ， 其 中 主 要 的 破 坏 形 式 之 一 为 分 层 破坏 ， 而 层 间 应 力 是 引 起 分 层 破 坏 的 直 接 原 因 ， 因 此 复 合 材 料 层 合 板 在 不 同 的 载荷 形 式 下 层 间 应 力 的 分 布 预 测 变 得 尤 为 主 要 。本 文 使 用 有 限 元 软 件 ANSYS 中 的 SHELL99 单 元 模 拟 正 交 各 向 异 性 层 合 板在 静 力 、 动 力 、 稳 态 温 度 场 以 及 瞬 态 温 度 场 的 作 用 下 层 间 剪 应 力 的 分 布 情 况 ， 将

5、模 拟 结 果 和 理 论 值 做 对 比 ， 在 此 基 础 上 改 变 层 合 板 的 几 何 尺 寸 、 弹 性 参 数 、 层数 、 铺 设 方 式 以 及 边 界 条 件 ， 研 究 层 间 剪 应 力 分 布 变 化 ， 从 而 得 到 不 同 荷 载 下影 响 正 交 各 向 异 性 层 合 板 层 间 剪 应 力 分 布 情 况 的 主 要 因 素 。关 键 词 ： 正 交 各 向 异 性 层 合 板 层 间 剪 应 力 ANSYSThe numerical simulation of static and dynamic responseof orthotropic lami

6、nated plates under thermal -mechanical loadsAbstractKeywords： Orthotropic laminates ； interlaminar shear stress ；ANSYSComposite layer plates has been widely applicated on aircraft for its high strength and stiffness ,what is more ,it will become the basic structural unit of aircraft in 21st century.

7、 But composite layer plates also have their own shortcomingsfailure modes very complex.One of the major damage forms is delamination which is caused by interlaminar stress.So the distribution prediction of interlaminar stess of composite layer plates under different load forms become very important.

8、The article uses SHELL99 element in ANSYS which is finite element software to simulate orthotropic laminates and get the distribution of interlaminar shear stress under state load,dynamic load,steady-state temperature field as well as the transient temperature field,then contrast with theoretical va

9、lues . we can get the main factors which affect the shear stress distribution after research the differents of shear stress distribution by change the geometry of laminates , the elastic parameters, layers , laying as well as boundary conditions.致 谢在 论 文 完 成 之 际 ， 心 中 颇 多 感 概 ， 我 从 本 科 学 习 物 理 专 业 跨

10、 到 硕 士 研 究 生的 固 体 力 学 专 业 ， 基 础 薄 弱 ， 我 的 导 师 盛 宏 玉 教 授 给 了 我 耐 心 的 辅 导 ； 在 论 文创 造 上 ， 从 课 题 的 选 定 、 文 献 的 收 集 、 软 件 的 学 习 ， 老 师 给 了 我 细 心 的 指 点 ， 也给 了 我 很 多 的 意 见 和 建 议 ， 在 我 考 博 复 习 期 间 ， 老 师 也 给 于 我 巨 大 支 持 和 帮 助 ，在 此 ， 请 老 师 接 受 我 最 衷 心 的 感 谢 。 老 师 学 识 渊 博 、 治 学 严 谨 、 诲 人 不 倦 、 待人 温 和 ， 这 些 品 质

11、都 在 无 形 之 中 感 染 了 我 ， 在 我 硕 士 研 究 生 的 求 学 生 涯 即 将 结 束之 际 ， 祝 老 师 及 家 人 身 体 健 康 、 合 家 幸 福 。我 也 感 谢 我 的 父 母 的 养 育 之 恩 ， 感 谢 他 们 这 二 十 几 年 来 对 我 无 私 的 付 出 ， 教会 我 如 何 做 人 ， 正 是 有 他 们 在 背 后 的 支 持 和 鼓 励 ， 才 使 我 有 了 克 服 人 生 道 路 上困 难 的 勇 气 ； 同 时 父 母 的 白 发 让 我 认 识 到 自 己 身 上 的 责 任 ， 在 未 来 的 生 活 和 学 习中 ， 我 将 更

12、 加 努 力 ， 以 此 来 回 报 我 的 家 人 ， 祝 父 母 姊 妹 幸 福 安 康 。在 这 即 将 分 别 之 际 ， 感 谢 我 的 同 学 和 给 予 过 我 帮 助 的 师 兄 弟 们 ， 他 们 在 我 论文 写 作 上 给 予 了 很 多 帮 助 和 宝 贵 的 意 见 ， 是 我 受 益 匪 浅 。 也 感 谢 09 级 22 班 的全 体 同 学 ， 非 常 幸 运 能 够 在 这 样 一 个 团 结 、 积 极 、 阳 光 的 班 集 体 里 生 活 和 学 习 三年 ， 祝 愿 每 一 位 同 学 前 程 似 锦 。作 者 ： 陈 磊2012 年 4 月 10 日

13、目录第一章 绪论 .11.1 引 言 1-5 11.2 课 题 的 确 定 和 研 究 意 义 6-11 21.3 研 究 现 状 21.4 单 元 介 绍 34-37 41.5 本 文 工 作 的 主 要 内 容 .5第 二 章 层 合 板 在 静 力 和 稳 态 温 度 场 下 的 数 值 模 拟 72.1 基 本 理 论 11,38-39 72.1.1 热 力 耦 合 下 复 合 材 料 结 构 面 内 应 力 的 分 析 72.1.2 横 向 剪 应 力 的 计 算 .82.1.3 横 向 正 应 力 的 计 算 .92.2 数 值 模 拟 算 例 模 拟 与 理 论 结 果 的 对

14、比 .92.3 影 响 层 合 板 层 间 剪 应 力 因 素 的 研 究 .112.3.1 边 界 条 件 的 影 响 112.3.2 层合板层数的影响 132.3.3 层合板铺设方式的影响 152.3.4 层 合 板 厚 度 和 弹 性 参 数 的 影 响 .172.4 本 章 小 节 .22第 三 章 热 载 荷 作 用 下 层 合 板 瞬 态 响 应 的 仿 真 分 析 243.1 基 本 理 论 40-42 .243.2 数 值 模 拟 -算 例 模 拟 与 精 确 值 的 比 较 283.3 影 响 热 层 合 板 动 态 响 应 的 因 素 的 研 究 .293.3.1 热 层

15、合 板 动 态 响 应 介 绍 293.3.2 边 界 条 件 的 影 响 313.3.3 层 合 板 层 数 的 影 响 333.3.4 层 合 板 铺 设 方 式 的 影 响 343.3.5 层 合 板 厚 度 和 弹 性 参 数 的 影 响 .363.4 层 合 板 在 几 种 常 见 热 载 形 式 下 动 态 响 应 的 研 究 413.5 本 章 小 结 .46第 四 章 动 力 荷 载 作 用 下 层 合 板 瞬 态 响 应 的 仿 真 分 析 .484.1 基 本 理 论 43484.2 数 值 模 拟 -算 例 模 拟 与 精 确 值 的 比 较 .514.3 影 响 层 合

16、 板 动 态 响 应 的 因 素 的 研 究 .524.3.1 层合板在突加力载下的动态响应介绍 524.3.2 边 界 条 件 的 影 响 554.3.3 层合板层数的影响 564.3.4 层合板铺设方式的影响 574.3.5 层 合 板 厚 度 和 弹 性 参 数 的 影 响 .594.4 层 合 板 在 几 种 常 见 力 载 形 式 下 动 态 响 应 的 研 究 614.5 本章小结 71展 望 .73参 考 文 献 74插图清单图 1-1 SHELL99 单 元 几 何 结 构 .4图 2-1 复 合 材 料 层 合 结 构 坐 标 系 .7图 2-2 2112120/, ,4xz

17、 yzSLhLL层 合 板 ； =0.;载 荷 下 点 的 点 的 .10图 2-3 2112120/9/, ,44xz yzSLhLL层 合 板 ； =0.;载 荷 下 点 的 点 的 .10图 2-4 层 合 板 ； 载 荷 3下 点 的 点 的 .10图 2-5 21 12125/, ,xzyz层 合 板 ； .;载 荷 下 点 的 点 的 .11图 2-6 层 合 板 ； 载 荷 下 点 的 点 的 .11图 2-7 2112120/9/, ,44xz yzSLhLL层 合 板 ； =0.;载 荷 下 点 的 点 的 .12图 2-8 层 合 板 ； 载 荷 下 点 的 点 的 .12

18、图 2-9 211212/, ,xz yzS 层 合 板 ； .;载 荷 3下 点 的 点 的 .13图 2-10 1124, ,4xz yz载 荷 下 点 的 点 的 .14图 2-11 2,LL载 荷 下 点 的 点 的 .14图 2-12 112, ,xz yz载 荷 3下 点 的 点 的 .14图 2-13 24,4载 荷 下 点 的 点 的 .16图 2-14 112, ,xz yz载 荷 下 点 的 点 的 .16图 2-15 2,LL载 荷 下 点 的 点 的 .16图 2-16 厚 度 比 影 响 的 仿 真 （ 载 荷 1） 18图 2-17 EL/ET 的 变 化 影 响

19、的 结 果 仿 真 （ 载 荷 1） 18图 2-18 GLT/ET 的 变 化 影 响 的 结 果 仿 真 （ 载 荷 1） .19图 2-19 层 合 板 的 有 限 元 模 型 和 温 度 荷 载 示 意 图 （ 载 荷 2） 19图 2-20 厚 度 比 影 响 的 仿 真 （ 载 荷 2） 19图 2-21 EL/ET 的 变 化 影 响 的 结 果 仿 真 （ 荷 载 2） .20图 2-22 G的 变 化 影 响 的 结 果 仿 真 (荷 载 2).20图 2-23 TLa的 变 化 影 响 的 结 果 仿 真 (荷 载 2) .20图 2-24 合 板 的 有 限 元 模 型

20、和 温 度 荷 载 示 意 图 （ 载 荷 3） 21图 2-25 厚 度 比 影 响 的 仿 真 （ 载 荷 3） 21图 2-26 EL/ET 的 变 化 影 响 的 结 果 仿 真 （ 荷 载 3） 21图 2-27 G的 变 化 影 响 的 结 果 仿 真 (荷 载 3).22图 2-28 TLa的 变 化 影 响 的 结 果 仿 真 (荷 载 3) .22图 2-29 K 的 变 化 影 响 的 结 果 仿 真 (荷 载 3)22图 3-1 层 合 板 及 其 坐 标 系 24图 3-2 0ah方 形 四 层 对 称 层 合 板 中 点 挠 度 .29图 3-3 方 形 四 层 对

21、称 层 合 板 中 点 挠 度 .29图 3-4 层 合 板 中 点 位 移 时 程 响 应 和 变 形 图 .30图 3-5 点 12/0,L处 层 间 剪 应 力 xzy和 的 时 程 响 应 30图 3-6 点 3处 层 间 剪 应 力 和 的 时 程 响 应 31图 3-7 边 界 条 件 对 层 合 板 中 点 位 移 响 应 的 影 响 32图 3-8 层 合 板 边 界 条 件 对 点 123/0,L处 第 一 层 和 第 二 层 xz的 影 响 32图 3-9 层 合 板 边 界 条 件 对 点 处 第 一 层 和 第 二 层 y的 影 响 32图 3-10 层 合 板 中 点

22、 位 移 响 应 33图 3-11 点 12/,L处 各 层 层 间 剪 应 力 xz响 应 的 幅 值 34图 3-12 点 30处 各 层 层 间 剪 应 力 y响 应 的 幅 值 34图 3-13 层 合 板 中 点 位 移 响 应 35图 3-14 点 12/,处 第 一 层 和 第 二 层 xz的 影 响 35图 3-15 点 0L处 第 一 层 和 第 二 层 y的 影 响 36图 3-16 影 响 层 合 板 中 点 位 移 响 应 的 因 素 38图 3-17 层 合 板 厚 度 对 点 123/,L处 第 一 层 和 第 二 层 xz的 影 响 38图 3-18 层 合 板

23、厚 度 对 点 0处 第 一 层 和 第 二 层 y的 影 响 39图 3-19 层 合 板 弹 性 模 量 对 点 12/,处 第 一 层 和 第 二 层 xz的 影 响 39图 3-20 层 合 板 弹 性 模 量 对 点 3处 第 一 层 和 第 二 层 y的 影 响 39图 3-21 层 合 板 剪 切 模 量 对 点 12/0,L处 第 一 层 和 第 二 层 xz的 影 响 40图 3-22 层 合 板 剪 切 模 量 对 点 处 第 一 层 和 第 二 层 y的 影 响 40图 3-23 层 合 板 热 膨 胀 系 数 对 点 123/,处 第 一 层 和 第 二 层 xz的 影

24、 响 40图 3-24 层 合 板 热 膨 胀 系 数 对 点 0处 第 一 层 和 第 二 层 y的 影 响 41图 3-25 四 种 常 见 瞬 态 热 载 形 式 41图 3-26 四 种 瞬 态 热 载 形 式 层 合 板 中 点 位 移 响 应 43图 3-27 热 载 形 式 （ a） 下 点 123/0,L处 层 间 剪 应 力 xzy和 的 时 程 响 应 .44图 3-28 热 载 形 式 （ a） 下 点 处 层 间 剪 应 力 和 的 时 程 响 应 .44图 3-29 热 载 形 式 （ b） 下 点 12/,处 层 间 剪 应 力 xzy和 的 时 程 响 应 .44

25、图 3-30 热 载 形 式 （ b） 下 点 30处 层 间 剪 应 力 和 的 时 程 响 应 .45图 3-31 热 载 形 式 （ c） 下 点 12/,L处 层 间 剪 应 力 xzy和 的 时 程 响 应 .45图 3-32 热 载 形 式 （ c） 下 点 处 层 间 剪 应 力 和 的 时 程 响 应 .45图 3-33 热 载 形 式 （ d） 下 点 123/0,处 层 间 剪 应 力 xzy和 的 时 程 响 应 .46图 3-34 热 载 形 式 （ d） 下 点 处 层 间 剪 应 力 和 的 时 程 响 应 .46图 4-1 0ah方 形 8 层 对 称 层 合 板

26、 中 点 挠 度 .52图 4-2 层 合 板 中 点 位 移 时 程 响 应 52图 4-3 层 合 板 在 0.450E-3S 时 刻 的 变 形 图 52图 4-4 表 一 中 位 置 极 值 曲 线 53图 4-5 表 二 中 位 置 极 值 曲 线 54图 4-6 点 12/,L处 层 间 剪 应 力 xzy和 的 时 程 响 应 .54图 4-7 点 4处 层 间 剪 应 力 和 的 时 程 响 应 .55图 4-8 层 合 板 中 点 位 移 响 应 56图 4-9 层 合 板 各 层 层 间 剪 应 力 响 应 幅 值 56图 4-10 层 合 板 中 点 位 移 响 应 57

27、图 4-11 212,44xz yzLL点 的 点 的 57图 4-12 层 合 板 中 点 位 移 响 应 58图 4-13 1212,xz yz点 的 点 的 58图 4-14 影 响 层 合 板 中 点 位 移 响 应 的 因 素 60图 4-15 层 合 板 厚 度 对 层 间 剪 应 力 响 应 幅 值 的 影 响 60图 4-16 层 合 板 弹 性 模 量 对 层 间 剪 应 力 响 应 幅 值 的 影 响 60图 4-17 层 合 板 剪 切 模 量 对 层 间 剪 应 力 响 应 幅 值 的 影 响 61图 4-18 层 合 板 泊 松 比 对 层 间 剪 应 力 响 应 幅

28、 值 的 影 响 61图 4-19 四 种 常 见 动 力 载 形 式 62图 4-20 层 合 板 中 点 位 移 响 应 63图 4-21 点 （ 12/4,L） 处 第 一 层 xz， 点 （ 12/,4L） 处 第 一 层 yz.63图 4-22 表 三 中 位 置 最 大 值 曲 线 64图 4-23 表 四 中 位 置 最 大 值 曲 线 64图 4-24 层 合 板 中 点 位 移 响 应 65图 4-25 点 （ 12/,L） 处 第 一 层 xz， 点 （ 12/,4L） 处 第 一 层 yz65图 4-26 表 五 中 位 置 极 值 曲 线 66图 4-27 表 六 中

29、位 置 极 值 曲 线 67图 4-28 层 合 板 中 点 位 移 响 应 67图 4-29 点 （ 12/4,L） 处 第 一 层 xz， 点 （ 12/,4L） 处 第 一 层 yz.68图 4-30 表 七 中 位 置 最 大 值 曲 线 69图 4-31 表 八 中 位 置 最 大 值 曲 线 69图 4-32 层 合 板 中 点 位 移 响 应 69图 4-33 点 （ 12/4,L） 处 第 一 层 xz， 点 （ 12/,4L） 处 第 一 层 yz.70图 4-34 表 九 中 位 置 最 大 值 曲 线 .71图 4-35 表 十 中 位 置 最 大 值 曲 线 .71表格

30、清单表 4-1 点 （ 12/4,L） 处 的 各 层 xz响 应 极 值 及 对 应 的 时 刻 .53表 4-2 点 （ ） 处 的 各 层 y响 应 极 值 及 对 应 的 时 刻 .53表 4-3 点 （ 12/,） 在 力 载 系 数 （ a） 下 各 层 xz响 应 极 值 以 及 对 应 的时 刻 .63表 4-4 点 （ 12/,4L） 在 力 载 系 数 （ a） 下 各 层 yz响 应 极 值 以 及 对 应 的时 刻 .64表 4-5 点 （ 12/4,L） 在 力 载 系 数 （ b） 下 各 层 xz响 应 极 值 以 及 对 应 的时 刻 .66表 4-6 点 （

31、12/,4L） 在 力 载 系 数 （ b） 下 各 层 yz响 应 极 值 以 及 对 应 的时 刻 66表 4-7 点 （ 12/4,L） 在 力 载 系 数 （ c） 下 各 层 xz响 应 极 值 以 及 对 应 的时 刻 68表 4-8 点 （ 12/,4L） 在 力 载 系 数 （ c） 下 各 层 yz响 应 极 值 以 及 对 应 的时 刻 68表 4-9 点 （ 12/4,L） 在 力 载 系 数 （ d） 下 各 层 xz响 应 极 值 以 及 对 应 的时 刻 70表 4-10 点 （ 12/,4L） 在 力 载 系 数 （ d） 下 各 层 yz响 应 极 值 以 及

32、对 应 的时 刻 70- 1 -第一章 绪论1.1 引 言 1-5复 合 材 料 (Composite materials)是 由 两 种 或 两 种 以 上 具 有 不 同 性 质 的 材料 ， 用 物 理 和 化 学 的 方 法 在 宏 观 尺 度 上 组 成 的 具 有 新 性 能 的 材 料 。 一 般 来 说 ，复 合 材 料 的 性 能 要 优 于 其 组 份 材 料 的 性 能 ， 并 且 有 些 性 能 是 原 有 组 份 材 料 所 没有 的 ， 复 合 材 料 改 善 组 分 材 料 的 刚 度 、 强 度 、 热 学 等 性 能 。人 类 使 用 复 合 材 料 已 经

33、很 长 的 历 史 ， 中 国 古 代 使 用 的 土 坯 砖 是 由 粘 土 和 稻草 （ 或 麦 秆 ） 两 种 材 料 组 成 的 ， 稻 草 起 着 增 强 粘 土 的 作 用 。 古 代 的 宝 剑 是 用 复 合浇 铸 技 术 得 到 的 包 层 金 属 复 合 材 料 ， 它 具 有 锋 利 、 韧 性 好 、 耐 腐 蚀 的 优 点 。 现 在的 胶 合 板 、 钢 筋 混 凝 土 、 夹 布 橡 胶 轮 胎 、 玻 璃 钢 等 都 属 于 复 合 材 料 。20 世 纪 40 年 代 初 ， 为 了 满 足 航 空 工 业 和 其 他 工 业 的 需 求 ， 在 设 计 制

34、造 高性 能 复 合 材 料 方 面 有 了 很 大 的 进 展 。 如 玻 璃 钢 最 早 于 1942 年 在 美 国 生 产 并 应用 于 飞 机 雷 达 天 线 罩 ， 它 必 须 承 受 飞 机 飞 行 时 的 气 流 动 力 荷 载 ， 耐 气 候 变 化 ，在 实 际 应 用 的 温 度 范 围 内 保 持 制 品 尺 寸 稳 定 ， 同 时 特 别 要 求 能 透 过 雷 达 波 。 铝材 可 以 拥 有 足 够 的 强 度 ， 但 不 能 达 到 透 过 雷 达 波 的 要 求 ， 陶 瓷 材 料 恰 恰 相 反 ，而 玻 璃 钎 维 则 可 以 同 时 满 足 两 方 面

35、的 要 求 ， 因 此 在 飞 机 制 造 方 面 得 到 应 用 。 20世 纪 60 年 代 ， 为 了 能 够 满 足 更 高 的 飞 行 刚 度 的 要 求 ， 美 、 英 等 国 家 先 后 研 制 了碳 纤 维 、 石 墨 纤 维 等 增 强 的 先 进 复 合 材 料 ， 并 很 快 被 应 用 到 了 航 空 和 航 天 领 域 。我 国 从 20 世 纪 50 年 代 以 来 发 展 了 复 合 材 料 并 开 展 了 各 种 应 用 。在 航 空 和 航 天 工 业 高 速 发 展 和 激 烈 竞 争 的 今 天 ， 复 合 材 料 作 为 基 本 的 制 作材 料 之 一

36、 ， 已 经 在 数 量 、 品 种 和 性 能 上 得 到 了 长 足 的 发 展 ， 应 用 也 越 来 越 广 泛 。在 航 空 工 程 上 ， 国 内 外 已 将 复 合 材 料 应 用 于 飞 机 的 机 身 、 机 翼 、 驾 驶 舱 、 雷 达罩 、 直 升 机 螺 旋 桨 等 ， 如 F-18 战 斗 机 、 波 音 AV-8Bharrier 战 斗 机 、 波 音 777大 型 双 发 动 机 宽 体 客 机 、 UH-60A 黑 鹰 直 升 机 等 。 在 这 些 部 位 上 除 了 有 单 一 的 复合 材 料 外 ， 还 大 量 使 用 了 混 杂 复 合 材 料 ，

37、如 碳 纤 维 和 芳 纶 纤 维 。 在 航 天 工 程 上 ，为 了 将 飞 行 器 送 入 地 球 轨 道 或 太 空 中 ， 既 要 增 加 发 动 机 的 推 力 又 要 减 轻 飞 行 器 结构 的 重 量 ， 而 在 减 轻 质 量 这 方 面 就 必 须 要 使 用 先 进 复 合 材 料 。 在 国 外 ， 航 天 飞 机使 用 了 各 种 先 进 的 复 合 材 料 ， 例 如 硼 /铝 复 合 材 料 应 用 于 机 身 桁 架 构 件 ， 石 墨 /环 氧 复 合 材 料 应 用 于 仪 表 舱 门 上 ， 玻 璃 纤 维 应 用 于 压 力 容 器 等 。 我 国 的

38、 航 天 工 业中 也 大 量 使 用 了 先 进 复 合 材 料 ， 全 面 解 决 了 战 略 导 弹 的 热 防 护 问 题 ， 例 如 应 用于 战 略 导 弹 端 头 的 防 热 复 合 材 料 已 经 进 入 了 第 五 代 新 型 防 热 复 合 材 料 时 期 ； 结 构复 合 材 料 也 正 在 应 用 于 大 型 承 力 构 件 ， 如 铝 蜂 窝 结 构 应 用 于 CZ-2E 整 流 罩 前 后驻 段 ， 碳 /环 氧 复 合 材 料 应 用 于 卫 星 接 口 支 架 等 。 近 年 来 ， 复 杂 复 合 材 料 也 应用 到 航 天 工 程 当 中 ， 如 固 体

39、 火 箭 发 动 机 壳 体 就 是 用 CF/KF 混 杂 复 合 材 料 制 作 的 。- 2 -1.2 课 题 的 确 定 和 研 究 意 义 6-11根 据 复 合 材 料 中 增 强 材 料 几 何 形 状 的 不 同 ， 可 以 将 复 合 材 料 分 为 颗 粒 复 合 材料 、 纤 维 增 强 复 合 材 料 和 层 合 复 合 材 料 。 复 合 材 料 层 合 及 夹 层 结 构 属 于 层 合 复合 材 料 ， 即 由 多 种 片 状 材 料 层 合 而 成 ； 这 种 复 合 材 料 具 有 比 刚 度 大 ， 比 强 度 高的 特 点 ， 应 用 于 飞 行 器 结

40、构 中 可 使 使 构 件 的 重 量 得 到 大 幅 的 减 小 ， 同 时 提 高 结构 的 刚 度 和 强 度 。 随 着 制 作 工 艺 和 技 术 的 发 展 ， 新 型 的 复 合 材 料 结 构 可 以 承 受各 种 形 式 的 力 载 ， 同 时 也 能 承 受 高 温 荷 载 作 用 。 21 世 纪 ， 在 国 内 外 航 空 及 空 间飞 行 器 结 构 、 热 结 构 设 计 将 广 泛 采 用 各 类 复 合 材 料 层 合 结 构 ， 而 夹 层 结 构 将 作为 基 本 单 元 。虽 然 复 合 材 料 层 合 结 构 具 有 很 多 优 点 ， 但 在 实 际

41、的 应 用 当 中 许 多 问 题 需 要深 入 地 研 究 ， 如 将 层 合 机 构 置 于 各 种 形 式 热 荷 载 和 机 械 力 的 作 用 下 ， 可 能 发 生各 种 各 样 的 破 坏 而 失 效 ， 其 中 主 要 破 坏 形 式 之 一 是 分 层 破 坏 ， 而 层 合 结 构 的 层间 应 力 是 导 致 分 层 破 坏 的 主 要 因 素 。 为 了 保 证 结 构 的 安 全 性 ， 在 保 证 可 靠 性 的 基础 上 最 大 幅 度 地 减 轻 结 构 的 重 量 ， 关 键 问 题 是 如 何 提 高 复 合 材 料 结 构 抵 抗 破 坏的 能 力 ， 并

42、 给 出 准 确 的 结 构 失 效 预 测 ， 而 做 到 这 一 点 就 要 能 够 有 效 地 给 出 层 合结 构 在 热 荷 载 和 机 械 荷 载 作 用 下 应 力 和 应 变 分 布 ， 以 及 影 响 应 力 和 应 变 分 布 的因 素 的 预 测 。 本 文 这 是 基 于 层 合 结 构 在 航 空 和 航 天 工 程 中 的 广 泛 应 用 ， 以 及 在 实际 实 用 当 中 所 存 在 的 问 题 而 研 究 的 ， 结 果 可 以 为 相 关 工 程 技 术 人 员 提 供 一 定 的 参考 。1.3 研 究 现 状近 几 十 年 来 ， 复 合 材 料 力 学

43、 领 域 的 研 究 得 到 了 长 足 的 进 步 ， 现 在 已 经 达 到了 非 常 高 的 水 平 ， 发 展 了 细 观 力 学 ， 宏 观 力 学 ， 复 合 材 料 结 构 力 学 三 种 行 之 有效 的 力 学 分 析 方 法 7。 在 层 合 结 构 方 面 ， 由 于 其 构 造 上 所 具 有 的 特 殊 性 和 复 杂性 ， 广 大 研 究 人 员 一 直 都 致 力 于 计 算 理 论 和 计 算 方 法 的 研 究 ， 成 果 显 著 ， 各 种理 论 和 方 法 相 继 推 出 ， 其 中 有 限 元 法 是 模 拟 复 合 材 料 层 合 结 构 相 当 方

44、便 和 有 效的 方 法 ， 使 用 这 种 方 法 构 造 层 合 板 单 元 主 要 以 经 典 层 合 板 理 论 、 一 介 剪 切 变 形理 论 、 高 阶 剪 切 变 形 理 论 、 叠 层 层 合 理 论 、 三 维 弹 性 理 论 作 为 理 论 基 础 的 12。经 典 层 合 板 理 论 13,14是 以 薄 板 理 论 为 基 础 发 展 而 来 的 ， 所 以 它 和 薄 板 理 论一 样 ， 忽 略 了 横 向 剪 切 应 变 和 沿 厚 度 方 向 的 正 应 变 的 影 响 ， 要 求 位 移 场 函 数C1 连 续 。 由 于 经 典 层 合 板 理 论 的 这

45、 些 特 点 ， 使 这 种 理 论 以 及 以 这 种 理 论 为 基 础构 造 的 单 元 只 能 应 用 于 薄 板 ， 即 忽 略 了 层 合 板 的 层 间 正 应 力 ， 而 在 实 际 的 层 合板 问 题 上 ， 层 间 应 力 是 引 起 其 破 坏 和 损 伤 的 一 个 非 常 主 要 的 因 素 。 因 为 层 合 板 是- 3 -由 各 个 不 同 方 向 的 纤 维 增 强 的 单 层 板 粘 连 组 成 的 整 体 来 承 受 荷 载 的 ， 每 个 单 层的 刚 度 不 同 而 且 各 自 要 受 到 层 与 层 的 相 互 制 约 ， 因 此 当 层 合 板

46、在 荷 载 作 用 下 发 生变 形 时 ， 各 个 单 层 之 间 为 了 达 到 受 力 平 衡 ， 其 变 形 必 须 协 调 一 致 ， 于 是 通 过 层间 制 约 产 生 了 层 间 应 力 来 满 足 变 形 协 调 和 受 力 平 衡 。 对 于 复 合 材 料 层 合 板 来 说 ，分 层 破 坏 是 其 破 坏 的 主 要 形 式 ， 而 层 间 应 力 是 分 层 破 坏 的 主 要 原 因 。一 阶 剪 切 变 形 理 论 （ FSDT） 是 由 Reissner-Mindlin 中 厚 板 理 论 推 广 而 来 的15,16,它 考 虑 了 横 向 剪 切 变 形

47、对 板 的 影 响 ， 只 要 求 C0 连 续 ， 可 以 适 用 于 从 薄 板到 中 厚 板 的 较 大 的 范 围 。 但 在 一 阶 剪 切 变 形 理 论 中 ， 横 向 剪 切 应 变 /应 力 都 是假 设 沿 厚 度 方 向 为 常 量 ， 而 这 就 不 可 避 免 地 与 板 表 面 零 剪 应 力 边 界 条 件 相 矛 盾 ；另 外 ， 还 必 须 人 为 地 引 入 剪 切 修 正 系 数 。 为 了 克 服 上 述 两 种 理 论 的 局 限 性 ， 特 别是 提 高 横 向 剪 应 力 的 预 测 能 力 ， 并 计 算 强 厚 度 层 合 板 ， 人 们 又

48、提 出 了 高 阶 剪 切 变形 理 论 （ HSDT） 。 高 阶 剪 切 变 形 理 论 可 分 为 单 层 模 式 和 多 层 模 式 两 大 类 ： 前者 提 高 了 位 移 场 沿 厚 度 方 向 的 位 移 阶 次 17,21;而 后 者 ， 也 就 是 叠 层 层 合 理 论 ， 则对 层 合 板 每 一 层 的 位 移 模 式 都 加 以 考 虑 12,23。 这 些 高 阶 理 论 与 三 维 弹 性 理 论 的解 答 更 为 接 近 ， 特 别 是 针 对 强 厚 度 板 。 但 是 计 算 代 价 也 将 大 幅 度 提 高 。就 理 论 的 预 测 能 力 和 计 算

49、代 价 进 行 综 合 比 较 以 及 对 大 部 分 应 用 范 围 而 言 ， 一阶 剪 切 变 形 理 论 （ FSDT） 通 常 仍 然 被 认 为 是 最 好 的 选 择 。 一 些 研 究 者 提 出 了 不少 有 效 的 方 法 来 解 决 使 用 一 阶 剪 切 变 形 理 论 所 遇 到 的 问 题 。 例 如 ， 横 向 剪 应 力分 布 可 用 三 维 平 衡 微 分 方 程 来 确 定 24； Vlachoutsis 等 25提 出 了 一 套 计 算 层 合 板壳 在 圆 柱 弯 曲 下 剪 切 修 正 系 数 的 数 值 计 算 方 法 ； Auricchio 等 26提 出 了 适 用 于求 解 任 何 铺 设 形 式 层