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复合材料层合板损伤失效模拟分析

李伟占  
【摘要】:在工程领域中,结构的有效性是设计者比较关心的。在航空、航天领域,结构的有效性显得尤为重要,因此高强度和轻质量的结构材料就得到了广泛的应用。纤维增强复合材料具有比强度、比刚度高以及可设计性等优点,所以在工程领域得到了广泛的应用。但是复合材料结构在的使用过程中,因受到载荷或者其他外界条件的影响,会发生基体失效、纤维失效、纤维基体剪切失效、分层等不同形式的局部失效。这些局部失效的产生与扩展将会使复合材料结构的承载能力降低并导致最终破坏。因此,有效地预测复合材料结构失效载荷以及模拟局部损伤的产生、扩展等过程具有非常重要的意义。 本文通过ABAQUS软件,采用渐进失效分析方法计算含开孔的纤维增强复合材料层合板的失效载荷并模拟其失效过程。首先利用二维模型模拟含孔层合板的失效过程。鉴于二维模型的局限性,本文中提出三维渐进失效分析模型,该模型首先根据改进的三维Hashin失效准则来判定属于哪一种失效的模式,然后根据失效模式进行相应的材料性能退化,最后用三维实体单元来计算整个复合材料层合板损伤的初始、扩展和最终失效的载荷值。此模型中共考虑了六种不同的失效模式,分别为基体的压缩失效、基体的拉伸失效、纤维的压缩失效、纤维的拉伸失效、拉伸分层失效、压缩分层失效。本文基于有限元软件ABAQUS来完成数值分析,用FORTRAN语言编制的USDFLD子程序,来实现判定复合材料层合板的失效模式,并根据产生的失效模式对材料参数进行退化。通过采用该模型预测出的最终失效载荷与文献中的试验结果对比,该模型能够较准确的预测复合材料层合板的失效载荷,并且能够模拟加载初始到最终失效过程中结构的受力情况以及损伤的产生初始与扩展。通过与实验数据对比,验证了模型的可行性,并讨论了不同铺层比例以及开孔直径对层合板最终失效载荷的影响。


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