复合材料层合结构损伤失效的有限元模拟研究

发布时间：2020-03-29 06:03

【摘要】：复合材料层板由于具有比强度、比刚度高和可设计性强等优点在航空航天等领域得到了广泛应用。复合材料层板的失效机理非常复杂,有限元方法是模拟其失效过程和分析失效机理的主要方法。考虑到现有方法在适用性和易用性等方面的特点,本文结合了粘聚力单元方法、虚节点方法、连续损伤模型方法分别模拟分层、基体裂纹、纤维方向损伤,并对各方法进行了发展和改进,从而建立了更加完善且精度更高的复合材料层合结构失效的有限元模拟方法。本文的具体研究工作包括:(1)发展了基于双线性准静态粘聚力模型的疲劳粘聚力模型,并由此构建了零厚度疲劳粘聚力单元。针对不规则网格模型的二维分层问题提出了基于网格节点对的分层前缘追踪技术和与之匹配的分层扩展算法,从而建立了基于粘聚力单元的分层疲劳扩展模拟方法。通过采用不同网格模型分析一维和二维分层疲劳扩展问题验证了所建方法的有效性,并讨论了网格密度和模型参数对该方法预测结果的影响。(2)基于疲劳粘聚力模型发展了疲劳虚节点方法,改进了准静态虚节点裂纹单元模型的计算理论,并提出了裂纹疲劳扩展算法,从而建立了适用于复合材料层板基体裂纹准静态和疲劳扩展问题的有限元模拟方法。通过算例分析验证了所建方法的有效性,并讨论了网格密度和模型参数对该方法预测结果的影响。(3)在所建虚节点单元中引入了纤维方向损伤和剪切非线性效应的表征模型,并构建了与之匹配的三维虚节点粘聚力单元,从而建立了复合材料层板准静态失效问题的有限元模拟方法。基于准各向同性铺层层板的开孔拉伸问题验证了所建方法的有效性,分析了模型尺寸对其强度预测结果的影响规律和机理,并分析了基体裂纹在层板开孔拉伸失效过程中的重要性。讨论了采用弱化的粘聚力强度在所建方法分析过程中的可行性,并研究了所建方法的网格敏感性。(4)在虚节点粘聚力单元中引入了疲劳粘聚力模型,发展了适用于该单元的简化的疲劳损伤演化算法,并通过改进准静态模型的计算理论,结合疲劳虚节点裂纹单元建立了适用于复合材料层板疲劳损伤扩展和失效问题的有限元模拟方法。通过分析准各向同性铺层开孔层板的拉—拉疲劳问题验证了所建方法的有效性,分析了该方法的网格敏感性,并讨论了模型参数对模拟结果的影响。
【图文】：

损伤分布,层板,损伤分布,载荷

荷情况下 D3M2N1 层板疲劳开始前和失效时的损伤分布以发现，本章中的高密度网格模型可以准确预测部分情况下开孔层板变化规律，这是因为模型对层板失效过程的模拟基本符合实验情况。况下 D3M2N1 层板在疲劳开始前和失效时的损伤分布的高密度网格模果，其中文献中并未给出疲劳开始前的分层情况。在疲劳开始前，模低于实验结果，其中 45°和 90°层孔边裂纹比实验结果略短，90°层中未布的弥散短裂纹，-45°层和 0°层中未能模拟出孔边裂纹，这一预测结果的情况基本相同。在失效时刻，模型中±45°层孔边裂纹完全穿透层板

损伤分布,损伤分布,网格模型,高密度

0°层裂纹 -45/0 层间分层实验[35]图 5.8 刚度下降 4%时高密度网格模型图 5.8 所示分别为 60%载荷情况下 700 次循环时模型的损伤分布，刚度下降 4%时还给出了部分穿透宽度方向，90°层沿 45°层裂纹线萌生大量扩展范围比较有限。此时，，模型刚度下降不到致。模型刚度下降 1%时，90°层萌生出更多弥层裂纹线的贯通的 45/90 层间局部分层。在 90/部分层发生疲劳扩展，同时 90°层弥散裂纹在层同样发生了一定程度的疲劳扩展。模型刚度下扩展，但是模型刚度下降主要由 90/-45 层间分量扩展，但自由边处的局部分层已经接近穿透模，刚度下降 4%时模型中 0°层孔边裂纹的非对称是分层的大致形态与实验结果一致。当循环数5°层主裂纹限制。此后，该分层通过-45°层主裂纹
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB115;TB33

【参考文献】