多层复合材料筒状结构在温度载荷作用下的层间应力建模与试验验证

多层复合材料筒状结构的残余应力可造成内部分层、结构失稳等,有必要结合理论和实验等研究其内部应力形成机制。基于各向异性线弹性本构和平面应力假设,建立了温度载荷作用下多层复合材料筒状结构内部应力的预测模型,并通过有限元仿真和热膨胀变形测试对模型有效性进行了校核和验证。结果表明:筒状结构环向的热膨胀变形从内层到外层逐渐增大,其中内层附近环向热膨胀系数低于面内热膨胀系数、外层附近环向热膨胀系数则高于面内热膨胀系数。在此基础上,结合模型理论分析揭示了层间应力对多层复合材料筒状结构的热膨胀变形行为的影响机制。在筒状结构形式下,温度加载引起的层间应力由一个涉及热膨胀系数和弹性参数的热力耦合项决定;由于多层复合材料面内与面外热膨胀系数存在差异,该应力耦合项不为0,从而在温度加载下形成了层间应力并影响了环向膨胀变形行为。基于上述认识,提出了调控多层复合材料筒状结构层间应力的有效措施。本文对揭示多层复合材料筒状结构的层间开裂物理机制、优化其热力匹配设计等具有重要意义。