基于失效機(jī)理的復(fù)合材料層合板強(qiáng)度分析方法.pdf

1、當(dāng)前復(fù)合材料在航空航天等工程結(jié)構(gòu)中的使用率正處于快速增長階段。與各向同性材料相比，復(fù)合材料具有構(gòu)造復(fù)雜和損傷形式多樣等特點(diǎn)，其失效模式之間相互作用，互為誘因。這種材料構(gòu)成和損傷組合的復(fù)雜特性給復(fù)合材料的強(qiáng)度分析帶來很大挑戰(zhàn)。深入理解復(fù)合材料失效破壞機(jī)理，建立反映客觀物理現(xiàn)象的強(qiáng)度分析方法對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計和使用維護(hù)十分必要，有助于降低結(jié)構(gòu)試驗(yàn)測試成本，縮短研制周期，提高結(jié)構(gòu)使用效率和安全性。本文以工程應(yīng)用最為廣泛的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板

2、為研究對象，在層合板層間界面斷裂、面內(nèi)破壞強(qiáng)度理論和非線性本構(gòu)關(guān)系等方面開展研究工作。
　　論文首先研究了層合板層間斷裂分析問題。針對層間界面斷裂模擬時計算效率低、計算成本高等問題，提出一種適合與板殼單元配合使用，且能夠考慮板殼平動和轉(zhuǎn)動自由度以及板殼厚度的新型組合界面單元，并建立相應(yīng)的三維板殼分層模型。推導(dǎo)了新型組合界面單元的有限元列式，給出雙線性形式下單一型和混合型分層的本構(gòu)關(guān)系，推導(dǎo)出組合界面單元的切線剛度矩陣，并在ABAQ

3、US隱式用戶自定義單元子程序UEL中予以實(shí)現(xiàn)。
　　將組合界面單元用于模擬單一型和混合型分層問題。通過雙懸臂梁（DCB）試驗(yàn)的模擬，重點(diǎn)考察了數(shù)值模擬中幾種參數(shù)的選取及其對計算結(jié)果的影響。對末端缺口三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)（3ENF）、混合模式彎曲試驗(yàn)（MMB）和單搭接膠接接頭試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，并推導(dǎo)了解析計算公式，計算結(jié)果與有關(guān)文獻(xiàn)中的試驗(yàn)結(jié)果及解析計算結(jié)果相吻合，表明組合界面單元能很好的模擬單一型和混合型分層損傷的起始和演化。
　

4、　其次研究了層合板的面內(nèi)強(qiáng)度分析問題。建立了完整的基于復(fù)合材料層合板失效機(jī)制的強(qiáng)度理論。首先論述了復(fù)合材料就地效應(yīng)及其重要性，推導(dǎo)了一種基于斷裂力學(xué)假設(shè)的層合板就地強(qiáng)度計算方法。以有關(guān)文獻(xiàn)中纖維壓縮破壞機(jī)理的試驗(yàn)觀察為基礎(chǔ)，提出一種改進(jìn)的纖維壓縮失效預(yù)測模型，在保持LaRC系列強(qiáng)度理論中kink model基本特征的前提下對其進(jìn)行改進(jìn)，并增加一個強(qiáng)度準(zhǔn)則來描述剪切驅(qū)動型纖維壓縮破壞模式，使改進(jìn)模型具有更好的適應(yīng)性。針對樹脂基體在橫向壓縮

5、和面內(nèi)剪切加載下的非線性力學(xué)行為，提出一種利用等效應(yīng)變來考慮二者之間非線性疊加耦合效應(yīng)的方法，并由此得到非線性本構(gòu)關(guān)系。
　　利用建立的強(qiáng)度理論和失效模式預(yù)測方法，對多種單向板和層合板在簡單和復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的失效包線和應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行了理論預(yù)測，并討論了關(guān)鍵參數(shù)選取的影響。結(jié)果表明，本文提出的強(qiáng)度理論全方位表現(xiàn)出較好的預(yù)測精度和適應(yīng)性，能反映真實(shí)的試驗(yàn)現(xiàn)象和趨勢。
　　采用連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)（CDM）思想，建立一種基于失效機(jī)理

6、的非線性損傷本構(gòu)關(guān)系。結(jié)合層合板連續(xù)殼模型的特點(diǎn)，根據(jù)強(qiáng)度理論預(yù)測的不同失效模式特征提出對應(yīng)的損傷退化方法，并針對許多細(xì)節(jié)問題給出詳細(xì)的因應(yīng)對策，在商業(yè)有限元軟件ABAQUS的顯式用戶材料子程序VUMAT中予以程序?qū)崿F(xiàn)。為了驗(yàn)證方法的可靠性，首先通過一個受載立方體的模擬進(jìn)行了網(wǎng)格敏感性測試分析，然后通過模擬單向板偏軸壓縮試驗(yàn)來驗(yàn)證非線性本構(gòu)關(guān)系的合理性，再通過模擬文獻(xiàn)中多種層合板的開孔壓縮、開孔拉伸和增高型緊湊拉伸試驗(yàn)來表現(xiàn)方法的分析精