基于內(nèi)聚力理論的復(fù)合材料分層失效機理研究.pdf

1、碳纖維復(fù)合材料具有比強度和比模量高、可設(shè)計性等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。然而，復(fù)合材料失效機理復(fù)雜，尤其是分層失效，嚴重降低復(fù)合材料結(jié)構(gòu)強度、剛度和完整性，對結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計和實際應(yīng)用提出了較大挑戰(zhàn)。目前，基于彈塑性斷裂力學(xué)發(fā)展起來的內(nèi)聚力理論由于可以同時預(yù)測裂紋萌生和擴展，已廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料分層失效機理研究。當(dāng)前國內(nèi)外發(fā)展了諸多內(nèi)聚力模型，然而目前仍然不清楚不同載荷下的真實復(fù)合材料分層界面應(yīng)受支配于哪種內(nèi)聚力模型，同時由于內(nèi)聚模

2、型的軟化問題，不同內(nèi)聚力形狀和內(nèi)聚力強度對隱式有限元分析的數(shù)值準確性、強健性和計算效率的影響規(guī)律尚未完全闡明。
　　本文基于內(nèi)聚力理論、運用有限元分析發(fā)展了零厚度內(nèi)聚力數(shù)值計算技術(shù)，實現(xiàn)了三角形內(nèi)聚力模型和一種改進的Xu和Needleman冪指數(shù)內(nèi)聚力模型，研究了碳纖維復(fù)合材料在壓縮和彎曲載荷作用下的分層失效機理，以及有限元分析存在的收斂性、網(wǎng)格敏感性等數(shù)值問題。主要研究工作如下：首先，運用ABAQUS-UEL用戶單元子程序模塊發(fā)

3、展了二維和三維內(nèi)聚力數(shù)值程序，應(yīng)用于分層失效研究中，闡明了內(nèi)聚力形狀、內(nèi)聚力強度、網(wǎng)格尺寸對數(shù)值收斂性和網(wǎng)格敏感性的影響規(guī)律，同時證明了零厚度界面單元呈現(xiàn)出最優(yōu)數(shù)值強健性;其次，基于發(fā)展的內(nèi)聚力數(shù)值技術(shù)，開展了壓縮和彎曲載荷作用下復(fù)合材料分層失效數(shù)值研究，和分層試驗結(jié)果進行比較，探討了結(jié)構(gòu)尺寸、鋪層角度等對單一、復(fù)合裂紋分層失效機理和載荷響應(yīng)的影響規(guī)律，其由單一斷裂模式下的斷裂韌性和Ⅰ/Ⅱ混合斷裂模式下的模式比決定的，體現(xiàn)了該數(shù)值技術(shù)在

4、研究分層失效機理時的普適性;最后，由于三點彎曲載荷下的復(fù)合材料模式Ⅱ分層失效問題伴隨著復(fù)雜的摩擦接觸，結(jié)合內(nèi)聚力理論和Mohr-Coulomb摩擦接觸律，原創(chuàng)性地提出了一個內(nèi)聚力/摩擦接觸耦合模型，發(fā)展了有限元數(shù)值計算程序，通過與解析解比較，準確預(yù)測了摩擦系數(shù)、內(nèi)聚力強度、鋪層角度等對摩擦分層和載荷響應(yīng)的影響規(guī)律。
　　本文主要有三個方面的創(chuàng)新:第一，發(fā)展了三維指數(shù)內(nèi)聚力數(shù)值計算技術(shù)，較好解決了基于內(nèi)聚力模型的有限元分析時的網(wǎng)格敏

5、感性、數(shù)值收斂性以及虛擬位移跳等數(shù)值問題;第二，將該技術(shù)應(yīng)用于壓縮、彎曲等載荷作用下的分層的失效分析中，準確預(yù)測了相應(yīng)載荷作用下的分層失效機理;第三，原創(chuàng)性地提出了一個指數(shù)內(nèi)聚力/摩擦接觸耦合模型并應(yīng)用于摩擦分層失效研究中。
　　本研究結(jié)果為合理選擇內(nèi)聚力模型參數(shù)、準確和高效地預(yù)測復(fù)合材料分層失效機理以及結(jié)構(gòu)性能退化機理提供理論和技術(shù)支撐。研究結(jié)果將有望進一步運用于航空航天復(fù)合材料結(jié)構(gòu)以及復(fù)合材料氣瓶、風(fēng)力發(fā)電機葉片、汽車、船舶等