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碳纤维增强树脂基复合材料损伤力学模型

霍达  
【摘要】:碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)由于具有优异的材料性能,已在各种工程领域中得到广泛应用。在碳纤维增强树脂基复合材料的渐进失效分析过程中会产生多种损伤模式,如纤维断裂、基体开裂、层间分层等,这些损伤模式之间相互影响,互为诱因,给复合材料结构的承载性能分析带来极大困难。因此本学位论文基于连续介质损伤唯象分析理论,深入了解复合材料损伤机理,建立适用于碳纤维增强树脂基复合材料层合板的损伤力学模型。本学位论文首先针对复合材料损伤本构模型的构建方法进行系统地总结。在综合相关文献的基础上,根据连续介质损伤力学理论,结合非线性本构关系和试验研究结果,系统地建立了描述碳纤维增强树脂基复合材料层合板结构渐进失效分析的三维损伤力学模型。层内损伤损伤力学模型以Hashin准则作为纤维发生损伤起始时刻的判断准则,以Puck准则作为基体发生损伤起始时刻的判断准则;损伤模式分为纤维拉伸损伤,纤维压缩损伤,基体拉伸损伤,基体压缩损伤;使用基于断裂能韧性的材料性能衰减模型计算损伤发生后的材料的性能;在基体发生损伤时,分别对横向的损伤变量和剪切的损伤变量进行重新定义,同时考虑了两者之间的耦合效应,并采用了弹塑性的非线性本构关系。通过对大型商业有限元程序的二次开发实现本学位论文提出的新的层内损伤力学模型。该模型层间损伤力学模型采用内聚力模型,并结合二次名义应力准则预测分层的起裂,通过B-K模型预测分层造成的材料性能退化。该模型对单向板偏轴压缩和中心开孔层合板进行数值分析,算例的预报结果与文献报道试验结果吻合良好,验证了其合理性和有效性。最后采用该碳纤维增强数值及复合材料的损伤力学模型,结合试验表征,建立了T700碳纤维复合材料的损伤力学模型,其数值结果与层合板拉伸试验结果相符。本学位论文建立的碳纤维增强树脂基复合材料损伤力学模型,可以有效地应用于碳纤维增强树脂基复合材料层合板结构的承载性能分析中,对于工程人员进行复合材料渐进损伤分析具有重要的理论指导意义和工程应用价值。


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