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基于单胞解析模型与渐进损伤分析的复合材料强度预报

赵琳  
【摘要】:纤维增强树脂基复合材料作为一种高性能材料在航空、航天等工程领域得到广泛的应用。复合材料及结构的破坏常常对人们的生命和财产造成巨大的损失,强度问题就成为考察复合材料力学性能的一个核心问题。由于复合材料是一种多相材料,它的宏观性能与其细观组分材料性能密切相关,其中强度性能也不例外。为了充分发挥复合材料的力学潜能,人们不断深入认识复合材料细观结构,从细观力学的角度出发预报复合材料的强度成为当前研究的热点之一。在这样的背景下,发展一个有效的细观力学模型,对复合材料的强度进行预报具有重要的意义,这也将为复合材料结构设计的优化和性能的评价提供理论指导。 本文将一种细观力学模型——单胞解析模型与渐进损伤分析方法结合,建立了复合材料强度性能预报方法,在预报宏观强度性能的同时分析细观组分材料的应力状态,并揭示细观组分的损伤扩展过程。为了更好的应用本文所建立的强度性能预报方法解决复合材料力学性能测试方面的问题,开发了复合材料力学性能虚拟测试平台,以此为工程应用服务。具体来说,本文主要研究工作如下: 1.单胞解析模型:在复合材料中选取合适的代表性体积元作为单胞模型,将单胞模型划分成纤维和基体组成的子胞,通过子胞位移、应变或应力连续的假设条件,再结合均匀化理论,建立复合材料宏观场量和细观场量之间的关系,并可以实现宏观和细观场量之间的相互转换。将复合材料细观和宏观性能参数分别作为单胞解析模型的输入和输出,选择了四种复合材料,预报了它们的五个独立弹性性能参数。将这种方法得到的预报结果与宏观实验数据进行对比和验证,并在此基础上应用该方法分析了复合材料细观参数对宏观性能的影响规律。 2.强度性能预报:主要包括单向和多向复合材料在双轴加载情况下的拉压强度预报、复合材料面内剪切渐进损伤分析与强度预报和复合材料层合板开孔拉伸渐进损伤分析与强度预报。针对复合材料纵横向双轴拉压载荷作用,给出组分材料的失效准则,判断其损伤情况,若发生损伤则衰减相应组分材料的刚度,通过单胞解析模型将细观组分的弹性和损伤性能传递到宏观复合材料结构中,循环计算,直到所有铺层不再承载为止,进而预报了单向和多向复合材料的纵横向双轴拉压强度,并制定定量分析标准,选取“破坏分析奥运会”中的理论与之对比,对预报结果进行综合测评;对于复合材料面内剪切强度问题,从V形开口梁面内剪切实验出发,考虑基体非线性剪切性能,将单胞解析模型与ABAQUS显式有限元分析结合建立渐进损伤分析方法,分析V形开口梁损伤扩展过程,预报面内剪切强度,最后通过±45°拉伸实验验证基体非线性剪切模型的准确性;针对复合材料开孔板拉伸强度,考虑基体细观开裂的影响,应用渐进损伤分析方法分析纤维和基体的损伤扩展,预报不同铺层角度层合板的拉伸强度,将预报结果与不考虑基体细观开裂情况的预报结果进行对比分析,并通过实验结果验证,证明考虑基体细观开裂的情况更符合复合材料开孔板的实际情况,说明该预报方法具有合理性。 3.虚拟测试平台:借助ABAQUS有限元分析软件,参考ASTM标准,完成复合材料力学性能测试的相关数值模拟,将几何模型参数化,将数值模型优化,选择最佳的材料及损伤模型,得到和实验数据最吻合的结果,编制成虚拟测试脚本文件,与物理实验的相关输入信息进行模块化集成,形成虚拟测试软件包。用户可以输入纤维和基体的材料属性和相关复合材料力学性能测试的简单信息,即可获得以图形显示的相应数值模型,以曲线的形式给出的应力-应变曲线,以图片形式展示的损伤破坏云图。本文的虚拟测试平台能够减少物理实验的数量,提供可靠的虚拟测试结果,降低实验成本,为工程应用服务。


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