復合材料多向損傷理論與試驗驗證.pdf

1、隨著復合材料在工程中的應用越來越廣泛，有壽命要求的復合材料結構設計采用靜力覆蓋疲勞的思想已不適應設計要求，為此需要對復合材料損傷機理進行深入系統(tǒng)地研究。本文在復合材料損傷力學的分析框架下，以損傷為“橋梁”，連接復合材料力學性能與外載荷。分別研究了復合材料多向剛度性能隨損傷的變化規(guī)律以及損傷隨載荷歷程的變化規(guī)律，進而獲得復合材料剛度性能隨外載荷的變化規(guī)律；分別建立了復合材料剛度性能表征的連續(xù)介質多向損傷力學模型(CMDM)、準靜態(tài)載荷以及

2、疲勞載荷下復合材料基體裂紋多向損傷協(xié)同演化模型(MDCE)，并進行了試驗驗證。本文的主要研究工作和研究成果有：
　　對復合材料損傷力學的研究內容進行了系統(tǒng)的綜述，介紹了現(xiàn)階段損傷的剛度性能表征和損傷的演化規(guī)律的研究進展。從失效學系統(tǒng)論的角度，對復合材料損傷力學研究中的關注點進行了闡述。根據復合材料損傷的特點，選用協(xié)調多尺度建模策略，在不同尺度下研究損傷的多向影響，構建了復合材料損傷的協(xié)調多尺度分析與多向損傷理論框架。
　　開

3、展了E-glass/YPX-3300玻璃纖維復合材料損傷機理的試驗研究。完成了材料基本力學性能測定試驗、復合材料層合板試件在準靜態(tài)載荷下的損傷演化試驗、常幅疲勞載荷下的損傷演化試驗以及復合材料圓管試件多軸加載試驗。
　　提出了復合材料剛度性能表征的連續(xù)介質多向損傷力學模型。在微觀尺度下，定義了損傷張量，并采用參數化建模的有限元方法確定損傷的多向微觀響應；在宏觀尺度下，推導了以損傷為變量的復合材料單向板以及層合板的剛度性能，很好地表

4、征了復合材料彌散型損傷對剛度性能的影響。采用Varna以及本文的試驗結果驗證了該模型多向剛度性能表征的預測能力。
　　建立了準靜態(tài)載荷下復合材料多向損傷協(xié)同演化的能量模型。在宏觀尺度下，推導了包含微觀損傷響應的基體裂紋損傷的能量釋放率表達式，結合能量準則判定裂紋萌生。模型考慮了損傷間的相互作用、殘余應力、材料非線性、材料初始損傷與損傷演化的不均勻性，給出了模擬分析流程。通過比較預測與試驗結果，說明模型能夠較準確地預測準靜態(tài)載荷下復

5、合材料損傷演化規(guī)律，并討論了層合板的“就位”效應。
　　提出了疲勞載荷下復合材料基體裂紋協(xié)同損傷多向演化模型。用初始裂紋萌生壽命曲線表征復合材料開裂層的疲勞特性，基于經典的Miner理論提出了復合材料損傷累積理論。該模型建立在準靜態(tài)載荷損傷演化模型基礎上，通過引入準靜態(tài)分析中的臨界能量釋放率的分布，獲得考慮初始缺陷的裂紋萌生壽命曲線；討論了疲勞載荷水平對疲勞損傷演化過程的影響，亦給出了疲勞損傷演化模擬分析流程。采用常幅疲勞載荷下正