基于失效機理的復合材料層合板強度分析方法.pdf

1、當前復合材料在航空航天等工程結構中的使用率正處于快速增長階段。與各向同性材料相比，復合材料具有構造復雜和損傷形式多樣等特點，其失效模式之間相互作用，互為誘因。這種材料構成和損傷組合的復雜特性給復合材料的強度分析帶來很大挑戰(zhàn)。深入理解復合材料失效破壞機理，建立反映客觀物理現(xiàn)象的強度分析方法對復合材料結構設計和使用維護十分必要，有助于降低結構試驗測試成本，縮短研制周期，提高結構使用效率和安全性。本文以工程應用最為廣泛的纖維增強復合材料層合板

2、為研究對象，在層合板層間界面斷裂、面內破壞強度理論和非線性本構關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動自由度以及板殼厚度的新型組合界面單元，并建立相應的三維板殼分層模型。推導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關系，推導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）試驗的模擬，重點考察了數值模擬中幾種參數的選取及其對計算結果的影響。對末端缺口三點彎曲試驗（3ENF）、混合模式彎曲試驗（MMB）和單搭接膠接接頭試驗進行了數值模擬，并推導了解析計算公式，計算結果與有關文獻中的試驗結果及解析計算結果相吻合，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強度分析問題。建立了完整的基于復合材料層合板失效機制的強度理論。首先論述了復合材料就地效應及其重要性，推導了一種基于斷裂力學假設的層合板就地強度計算方法。以有關文獻中纖維壓縮破壞機理的試驗觀察為基礎，提出一種改進的纖維壓縮失效預測模型，在保持LaRC系列強度理論中kink model基本特征的前提下對其進行改進，并增加一個強度準則來描述剪切驅動型纖維壓縮破壞模式，使改進模型具有更好的適應性。針對樹脂基體在橫向壓縮

5、和面內剪切加載下的非線性力學行為，提出一種利用等效應變來考慮二者之間非線性疊加耦合效應的方法，并由此得到非線性本構關系。
　　利用建立的強度理論和失效模式預測方法，對多種單向板和層合板在簡單和復雜應力狀態(tài)下的失效包線和應力應變曲線進行了理論預測，并討論了關鍵參數選取的影響。結果表明，本文提出的強度理論全方位表現(xiàn)出較好的預測精度和適應性，能反映真實的試驗現(xiàn)象和趨勢。
　　采用連續(xù)介質損傷力學（CDM）思想，建立一種基于失效機理

6、的非線性損傷本構關系。結合層合板連續(xù)殼模型的特點，根據強度理論預測的不同失效模式特征提出對應的損傷退化方法，并針對許多細節(jié)問題給出詳細的因應對策，在商業(yè)有限元軟件ABAQUS的顯式用戶材料子程序VUMAT中予以程序實現(xiàn)。為了驗證方法的可靠性，首先通過一個受載立方體的模擬進行了網格敏感性測試分析，然后通過模擬單向板偏軸壓縮試驗來驗證非線性本構關系的合理性，再通過模擬文獻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來表現(xiàn)方法的分析精