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复合材料层合板分层损伤数值模拟

韩学群  
【摘要】: 随着复合材料的广泛应用,其破坏形式的研究日渐完善。从细观损伤力学角度分析,复合材料层合板破坏分为面内破坏和层间破坏,如面内的纤维断裂,层间的分层、子层屈曲等。统计资料表明,在各种损伤破坏中,分层失效约占60%。无论是单调静态还是疲劳荷载加载,分层的产生和扩展都会显著地降低复合材料结构的强度,甚至对结构造成灾难性的毁坏,从而带来严重的安全问题。分层是复合材料最为严重的一种破坏形式。所以研究复合材料层合板分层损伤演化过程具有重要意义。 复合材料层合板分层损伤的数值模拟,主要有两种建模方法:一种是基于损伤力学的模型;另一种是基于断裂力学的模型。损伤力学模型在层间引进界面元。分层界面的行为由界面处的张开位移与张力的关系控制。应力-相对位移曲线围成的面积等于临界能量释放率。由于微观裂纹和孔隙的扩展,能量发生耗散。分层前缘处的网格精度要求比断裂力学模型的低,也不需要重新划分网格。损伤力学模型建模方便,无需预先定义裂纹。 本文选用损伤力学模型建模,采用界面元模拟分层界面,壳单元模拟层合板。为防止层合板的子层穿透,分层界面施加接触约束条件。本文的主要研究目的是分析含初始分层损伤的层合板损伤在拉压荷载作用下的力学响应。对于层合板受拉伸荷载作用的情况,本文考察了界面刚度、初始分层长度、非中面对称分层和分层界面铺层对层合板力学响应的影响。分析结果表明,界面刚度对分层扩展的影响不大;初始分层长度只在分层扩展以前的加载阶段对层合板的力学性能有影响,而对分层扩展阶段影响甚微;对于非中面分层,本文提出了一个预测含非对称分层损伤的层合板的破坏强度的理论公式,理论预测值与有限元的计算结果吻合得较好。对于层合板受压缩荷载作用的情况,考察了初始分层面积大小、不同铺层和非中面对称分层等因素对板中分层损伤的扩展和层合板力学性能的影响。对称分层时,随着分层面积增大,层合板由整体屈曲向局部屈曲过渡,而屈曲荷载和破坏荷载变化小;压缩荷载方向的等效弹性模量对屈曲和破坏荷载影响大;随着分层逐渐靠近层合板表面,屈曲模式逐渐由整体屈曲向混合屈曲过渡,屈曲荷载快速降低,但破坏荷载则缓慢降低。


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