基于多尺度方法的復(fù)合材料層合板結(jié)構(gòu)失效機理研究.pdf

1、近年來復(fù)合材料結(jié)構(gòu)數(shù)字化設(shè)計可靠性的提升使得復(fù)合材料的應(yīng)用更為先進和廣泛，但是設(shè)計者對復(fù)合材料的使用仍舊持謹慎和保守態(tài)度，其優(yōu)異特性并沒有得到充分發(fā)揮。航空結(jié)構(gòu)中復(fù)合材料強度預(yù)測仍以試驗為主，這說明了目前復(fù)合材料強度理論還不夠成熟，難以指導(dǎo)工程設(shè)計。為了對復(fù)合材料強度理論進行評估，1991年Hinton、Soden和Kaddour等在英國工程與自然科學(xué)研究委員會和機械工程師協(xié)會的支持下發(fā)起了世界范圍的“復(fù)合材料破壞奧運會”（World

2、Wide Failure Exercise，WWFE），并于2007年發(fā)起了WWFEII（the Second World Wide Failure Exercise）。WWFE和WWFEII的評估結(jié)果揭示了現(xiàn)有強度理論對復(fù)合材料損傷失效機理的研究還不夠深入。復(fù)合材料是一種多相材料，它的剛度、強度等宏觀力學(xué)性能是由細觀結(jié)構(gòu)和組分材料的力學(xué)性能決定的，為充分發(fā)揮復(fù)合材料的可設(shè)計性優(yōu)勢，從細觀力學(xué)的角度來研究宏觀力學(xué)性能是十分必要的。隨著細

3、觀力學(xué)的發(fā)展，復(fù)合材料多尺度分析方法已成為復(fù)合材料研究的熱點。
　　本文從細觀力學(xué)角度出發(fā)，提出了一種新的基于物理失效機理的復(fù)合材料細觀失效準(zhǔn)則，建立了宏觀層合板結(jié)構(gòu)與細觀單胞模型協(xié)同分析的多尺度方法，按照WWFE和WWFEII中的定量評測點對本文提出的細觀失效準(zhǔn)則進行了評估。在此基礎(chǔ)上，開展了復(fù)合材料開孔層合板結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料螺栓連接結(jié)構(gòu)的多尺度漸進損傷數(shù)值模擬，并進行了試驗驗證。
　　全文的主要內(nèi)容包括：
　　(1)

4、總結(jié)了復(fù)合材料宏細觀失效準(zhǔn)則，對多尺度分析方法和復(fù)合材料典型元件（開孔層合板和螺栓連接件）的失效分析進展進行了綜述。
　　(2)根據(jù)組分材料纖維、基體和界面的物理失效模式，建立了一種新的細觀失效準(zhǔn)則。該準(zhǔn)則基于 Mohr-Coulomb準(zhǔn)則并側(cè)重考慮了壓縮載荷下組分材料的損傷模式和失效機理。本文指出壓縮失效時壓應(yīng)力會阻礙斷裂面的剪切破壞；深入研究了纖維壓縮失效模式，在纖維折斷失效準(zhǔn)則中引入了纖維折斷破壞面上剪切強度的概念。

5、　　(3)建立了宏觀層合板結(jié)構(gòu)與細觀結(jié)構(gòu)協(xié)同分析的多尺度方法，通過均勻化和局部化實現(xiàn)宏細觀模型間的跨尺度聯(lián)系，在商業(yè)有限元分析軟件ABAQUS/Standard平臺上建立了多尺度分析構(gòu)架。通過用戶自定義子程序和PDE二次開發(fā)實現(xiàn)了宏觀尺度的有限元分析和單胞有限元模型之間的信息傳遞，并在有限元分析迭代過程中保證了宏細觀模型的損傷都是漸進的。
　　(4)對WWFE中所有算例進行了失效預(yù)測，按照WWFE的評定程序?qū)Ρ疚奶岢龅募氂^失效準(zhǔn)則

6、進行了定量評估，并與Puck、Cuntze、Tsai、Chamis、Mayes和Huang準(zhǔn)則的預(yù)測結(jié)果進行了對比。評估結(jié)果表明在雙軸載荷情況下本文提出的細觀失效準(zhǔn)則在7種失效準(zhǔn)則中擬排名第二，同時也驗證了本文提出的準(zhǔn)則的合理性和多尺度分析方法的有效性。
　　(5)對WWFEII中單向板算例進行了失效預(yù)測和定量評估，并與Puck、Pinho、Cuntze、Carrere、Tsai-Ha、Hansen和Huang準(zhǔn)則的預(yù)測結(jié)果進行對

7、比。評估結(jié)果表明在三軸載荷情況下本文提出的細觀失效準(zhǔn)則在8種失效準(zhǔn)則中擬排名第一。研究了靜水壓力下材料的本構(gòu)響應(yīng)，得出靜水壓力對基體強度的影響因子僅與單軸壓縮斷裂角有關(guān)的結(jié)論。從細觀力學(xué)角度出發(fā)，探討了WWFEII各強度準(zhǔn)則間的重要分歧：“失效包線是‘張開’型還是‘封閉’型”，認為復(fù)合材料在三向壓應(yīng)力狀態(tài)下失效包線是否為“張開”和“封閉”并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)答案，而是與復(fù)合材料的纖維體積含量、纖維和基體的力學(xué)性能、基體隨靜水壓力力學(xué)性能的變

8、化及基體的單軸壓縮斷裂角有關(guān)。
　　(6)對某型飛機部件結(jié)構(gòu)進行了元件級試驗。完成了2種開孔層合板、6種復(fù)合材料單釘單剪連接的拉伸試驗。
　　(7)在多尺度分析過程中，引入細觀應(yīng)力放大系數(shù)，對細觀模型的參考點進行失效判斷后，再確定是否調(diào)用細觀有限元模型，以提高分析效率。開展了開孔層合板的多尺度分析，同時考慮了細觀失效模式和層合板宏觀分層現(xiàn)象，仿真結(jié)果與開孔層合板拉伸試驗吻合較好。
　　(8)將螺栓連接件的層合板分為孔周