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可展收复合材料壳结构力学行为与损伤研究

摘要

可展收复合材料壳结构是一种在展开和卷曲均可保持稳定的结构。具有卷曲储存时

质量轻、收纳效率高和结构简单等特点，在空间可展开薄膜航天器及天线领域有广泛的

应用前景。本文采用碳纤维复合材料制备了可展收复合材料壳结构，对其在卷曲中的力

学行为与损伤行为以及在具有孔洞缺陷时的力学性能展开了研究，主要研究内容如下：

对制备可展收复合材料壳结构所用碳纤维复合材料力学性能进行了实验测试，并通

过编写UMAT子程序描述纤维丝与树脂基体的损伤失效模式，开展了复合材料在细观

下的损伤失效分析，结合多尺度代表性体积单元的力学性能分析方法，对实验所得到的

材料力学性能参数进行了验证和补充，从而获取了可展收复合材料壳结构材料的各项力

学参数，为后续数值仿真提供了参数支持。

分析了可展收复合材料壳结构构型转换过程中的力学行为。可展收复合材料壳结构

具有卷曲和展开两个稳定状态，通过位移加载试验获取了结构在跳转与跳回过程中储存

的应变能变化曲线，分析了其变形规律和特性。对结构卷曲过程中的力学行为进行了仿

真分析，考虑了铺层角度的影响，得到了结构在卷曲中产生的偏移现象；此外，采用数

字图像相关试验研究了结构跳转与卷曲过程中的应力应变分布和变形特征。

研究了可展收复合材料壳结构在卷曲过程中的损伤行为及破坏形貌。复合材料结构

在卷曲过程中经历了大变形，极易发生损伤。借助Hashin准则分析了结构在卷曲过程中

的损伤行为，得到了材料的损伤模式以及损伤区域，对损伤区域取样，通过电子扫描显

微镜电镜扫描试验对试样进行了微观观察，与有限元仿真相结合，对可展收复合材料壳

结构的损伤进行了分析。

对可展收复合材料壳结构在超高速侵彻后的力学性能衰减行为进行了研究。建立了

完全展开状态下复合材料壳结构的超高速侵彻分析模型，获取了可展收复合材料壳结构

在受到不同弹体超高速侵彻后出现的孔洞缺陷，分析了带有孔洞缺陷的复合材料结构的

力学性能，并讨论了冲击位置对复合材料壳结构力学性能衰减行为的影响。

关键词：可展收结构，复合材料，薄壁结构，损伤分析，数值模拟

可展收复合材料壳结构力学行为与损伤研究

ABSTRACT

Thedeployablecompositeshellstructureisatypeofstructurethatcanmaintainstabilityin

bothitsdeployedandcurlingconfigurations.Itexhibitscharacteristicssuchaslightweight,

highstorageefficiency,andsimplestructurewhencurledforstorage,makingitapromising

candidateforawiderangeofapplicationsinthefieldofspacedeployablemembranespacecraft

andantennas.Inthispaper,adeployablecompositeshellstructureispreparedusingcarbon

fibercompositematerials,andthestudyisconductedonitsmechanicalbehavioranddamage

behaviorduringcurling,aswellasthemechanicalpropertieswhenithasholedefects.Themain

researchcontentsareasfollows.

Experimentaltestswereconductedonthemechanicalpropertiesofthematerialsprepared

forthestructure.Detaileddamageandfailureanalysisofthematerialsw