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复合材料多尺度渐进损伤失效及断裂破坏分析

黄达  
【摘要】:复合材料具有优异的力学性能,但材料的失效分析也颇为复杂,本文以纤维增强树脂基体复合材料为研究对象,分别从细观力学和宏观力学两个角度展开失效破坏分析,具体包括细观渐进损伤分析、裂纹扩展断裂分析和宏观结构失效分析三个部分。 复合材料渐进损伤分析方面,结合细观力学和损伤力学相关理论,在ABAQUS/Explicit模块中建立纤维增强复合材料细观模型,分析其在不同外载荷作用下的损伤演化过程。同时,分别模拟不同纤维体积含量的特征体积微元发生损伤时的临界应变情况,分析纤维体积含量对复合材料损伤破坏的影响。 复合材料断裂破坏分析方面,首先利用扩展有限元法模拟亚界面裂纹在细观模型中的扩展情况,提取裂纹扩展过程中结构的内能、应变能以及耗散能量的变化情况,并结合能量变化分析亚界面裂纹的扩展过程。然后借助虚拟裂纹闭合技术模拟纤维增强复合材料的界面剥离破坏行为,并与破坏试验得到的微观电镜照片相对比,提取裂纹尖端附近的应变能释放率,详细分析裂纹沿界面扩展的情况。 对于复合材料宏观结构失效分析,以纤维缠绕复合材料圆筒壳为研究对象,首先计算圆筒壳的轴向拉伸模量,分析不同缠绕角复合材料圆筒壳抵抗轴向变形能力的大小;然后开展复合材料圆筒壳的轴向拉伸破坏试验,得到结构的失效形式和失效载荷;最后借助ABAQUS的子程序功能,将失效准则编入非线性计算中,模拟复合材料圆筒壳在轴向拉伸载荷下的失效行为,计算结构的承载能力。


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