新3D界面元在復合材料層合板分層損傷數(shù)值模擬中的應用.pdf

1、復合材料層合板因其具有高比模量、高比強度、耐高溫、抗疲勞、可設(shè)計性強等獨特優(yōu)點而廣泛應用于航空航天等各種領(lǐng)域，但它在厚度方向的強度較弱，尤其是鋪層間的粘接層的強度低，這使得它在受到物體的低速橫向沖擊作用后極易產(chǎn)生損傷和破壞，如基體開裂、層間分層、基體剪切、纖維斷裂等損傷，其中，分層是最主要的破壞形式。分層會導致復合材料的壓縮強度或承載力明顯降低，分層的擴展使層合結(jié)構(gòu)的剛度和強度迅速下降，從而導致結(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn)和斷裂。分層破壞主要發(fā)生在層

2、合板的界面層上，故界面元的性能是分層數(shù)值模擬效率和精度的關(guān)鍵。雖然研究者已提出了各種界面元，但這些界面元或不宜使用或精度不高。因此本文將探討一種能夠較精確地預測界面層的力學行為和失效機理的新界面元—固體殼單元(solid-shell element)，以用于復合材料層合板分層的高效計算機模擬。本文的主要工作可概括為以下幾個方面：
　　 (1)solid-shell單元性能的評估，在層合板結(jié)構(gòu)中，界面層的厚度遠遠小于鋪層的厚度，故

3、界面層單元的長高比很大，但即使在這種情況下其解也是合理可信的，因此使用solid-shell單元作為界面元可以用來表征粘接層的性能，用粘接層材料的應力-應變關(guān)系描述界面層的變形和破壞。
　　 (2)利用solid-shell界面元的單元生死功能對雙懸臂梁模型的分層進行了數(shù)值模擬，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果很吻合，從而說明采用solid-shell界面元模擬復合材料的分層是可行的。在此基礎(chǔ)上對端邊切口實驗進行了數(shù)值模擬，其模擬結(jié)果與實驗結(jié)

4、果也比較吻合。
　　 (3)由于低速沖擊問題可以轉(zhuǎn)換成準靜態(tài)問題，本文將最大沖擊力作為集中載荷加載到板的沖擊接觸處，結(jié)合分層準則計算得到分層形狀和尺寸。
　　 (4)以三種典型的復合材料層合結(jié)構(gòu)作為算例進行了計算，討論了三種結(jié)構(gòu)在特定的加載條件下可能分層破壞的位置。
　　 本文的研究結(jié)果表明solid-shell界面元可以準確和方便的模擬復合材料層合板結(jié)構(gòu)的分層過程，它直接基于粘接層實際的幾何尺寸和材料性能，且計