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《上海交通大学》 2007年
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纤维增强复合材料层合结构冲击损伤预测研究

张彦  
【摘要】: 汽车制造业不断发展新材料和新技术以适应汽车轻量化设计的要求。具有比强度大、比刚度和比吸能高等优点的纤维增强树脂基复合材料在汽车轻量化耐撞性结构设计(保险杠、前纵梁)中得到了越来越广泛地关注。在低速冲击作用下复合材料结构与传统金属结构的能量吸收和损伤破坏机理存在很大的差异,而且非常复杂。由于影响因素众多,尽管目前有许多预测复合材料低速冲击作用下的损伤和响应过程的计算模型,但仍然存在以下问题:纤维增强树脂基复合材料在冲击作用下将产生各种形式的损伤,如基体开裂、层间脱层和纤维断裂等,并且各种损伤相互作用。基于强度理论的预测模型不能很好地预测各种损伤的产生与扩展过程。因此需要建立描述各种损伤的力学模型,提出有效、可靠的适用于工程应用的数值预测方法,对复合材料结构的冲击响应和损伤问题作进一步深入系统的研究。因而,研究和建立一套有效的纤维增强树脂基复合材料结构的耐撞性数值仿真分析模型具有重大的意义和应用价值。 本文在充分吸收国内外树脂基纤维增强复合材料结构冲击作用下响应和损伤破坏机制的理论和实验研究基础上,针对冲击作用下复合材料结构内部产生的各种损伤模式,将其分为层内和层间两类损伤,并提出了一个有效的层合结构力学模型:将层合结构作为复合材料子层结构和界面层结构通过粘接装配而成。在此基础上,基于粘接域理论建立了界面层脱层损伤产生与扩展的分析模型;基于连续介质损伤力学建立了复合材料单层板层内各种损伤产生与扩展的分析模型。最后,基于显式有限元程序ABAQUS/Explicit,建立了适合于工程需要的预测纤维增强树脂复合材料层合结构冲击作用下层内和层间损伤及变形机理的有限元分析模型。主要创新性研究工作如下: (1)纤维增强复合材料层合结构脱层损伤分析模型建立 针对纤维增强树脂基复合材料层合结构冲击作用下产生的脱层损伤这一基本的损伤形式,采用三维界面单元来模拟复合材料层合结构中产生脱层处的界面层;基于粘接域(Cohesive zone)理论,建立了统一的预测界面层脱层损伤行为的数学模型,采用损伤力学理论和断裂力学理论相结合的方法来模拟脱层损伤产生与扩展的整个过程,基于预测-修正的方法推导了该模型的数值算法,建立了预测层间脱层损伤产生与扩展的数值模型,并通过ABAQUS/Explicit的材料本构模型用户子程序接口实现。进行了单一开裂模式、混合开裂模式和低速冲击作用下碳/环氧复合材料层合结构(T300/914)脱层损伤产生与扩展的预测分析,验证了脱层损伤预测模型的正确性。 (2)基于连续介质损伤力学的复合材料单层板损伤本构模型建立 针对复合材料结构的层内损伤,建立了考虑了各种层内损伤的单层板本构模型。该模型基于连续介质损伤力学理论,引入了三个损伤变量分别用于描述层内的纤维断裂、基体开裂和纤维和基体界面脱粘损伤模式,并考虑了裂纹闭合效应对损伤的影响;基于应变加法分解的假设,考虑了复合材料基体与剪切方向的非弹性应变;在热力学第二定律框架下推导了该本构模型的状态方程;基于各向异性塑性力学理论,建立了考虑损伤耦合情况下非弹性应变的硬化方程;基于损伤力学理论建立了各损伤变量的损伤演化方程。基于预测-修正的方法推导了该本构模型的数值算法,通过显式有限元程序ABAQUS/Explicit的材料本构模型用户子程序接口实现。通过标准的复合材料力学试验,建立了一具体织物型玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的损伤本构模型,验证了所建立模型的正确性,并为该复合材料层合结构冲击作用下损伤预测分析提供了材料参数。 (3)复合材料层合结构冲击作用下层内损伤与层间损伤预测分析 基于层合结构力学模型,建立了预测层内和层间损伤产生与扩展的有限元模型。通过标准的复合材料断裂力学试验,确定了脱层损伤分析模型中的材料特性参数。进行了两种不同铺层方式的织物型玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料条形层合板的落锤在不同高度下的冲击试验和相同条件下的复合材料结构受冲击的数值仿真分析,验证了模型的正确性。在此基础上进行了汽车典型复杂结构—保险杠横梁在不同冲击速度下的结构损伤与响应的预测仿真分析。 本论文在充分吸收和借鉴前人成果的基础上,对纤维增强树脂基复合材料层合结构在冲击作用下结构响应和损伤预测的数值模型进行了研究,并具体应用于复合材料层合结构的分析。本文建立的数值模型为纤维增强树脂基复合材料的耐撞性分析提供了一套有效的数值仿真分析工具。
【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:U465.6

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【引证文献】
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【参考文献】
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9 赵铁钧;镁合金ZK60及过共晶铝硅合金强流脉冲电子束表面改性研究[D];东北大学;2009年
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【同被引文献】
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【二级引证文献】
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10 沈勇;聚苯乙烯(PS)/聚烯烃(PO)合金的制备[D];四川大学;2004年
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