基于内聚力理论的复合材料分层失效机理研究

发布时间：2017-04-21 07:00

  本文关键词：基于内聚力理论的复合材料分层失效机理研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：碳纤维复合材料具有比强度和比模量高、可设计性等优点,广泛应用于航空航天等领域。然而,复合材料失效机理复杂,尤其是分层失效,严重降低复合材料结构强度、刚度和完整性,对结构轻量化设计和实际应用提出了较大挑战。目前,基于弹塑性断裂力学发展起来的内聚力理论由于可以同时预测裂纹萌生和扩展,已广泛应用于复合材料分层失效机理研究。当前国内外发展了诸多内聚力模型,然而目前仍然不清楚不同载荷下的真实复合材料分层界面应受支配于哪种内聚力模型,同时由于内聚模型的软化问题,不同内聚力形状和内聚力强度对隐式有限元分析的数值准确性、强健性和计算效率的影响规律尚未完全阐明。本文基于内聚力理论、运用有限元分析发展了零厚度内聚力数值计算技术,实现了三角形内聚力模型和一种改进的Xu和Needleman幂指数内聚力模型,研究了碳纤维复合材料在压缩和弯曲载荷作用下的分层失效机理,以及有限元分析存在的收敛性、网格敏感性等数值问题。主要研究工作如下：首先,运用ABAQUS-UEL用户单元子程序模块发展了二维和三维内聚力数值程序,应用于分层失效研究中,阐明了内聚力形状、内聚力强度、网格尺寸对数值收敛性和网格敏感性的影响规律,同时证明了零厚度界面单元呈现出最优数值强健性；其次,基于发展的内聚力数值技术,开展了压缩和弯曲载荷作用下复合材料分层失效数值研究,和分层试验结果进行比较,探讨了结构尺寸、铺层角度等对单一、复合裂纹分层失效机理和载荷响应的影响规律,其由单一断裂模式下的断裂韧性和Ⅰ/Ⅱ混合断裂模式下的模式比决定的,体现了该数值技术在研究分层失效机理时的普适性；最后,由于三点弯曲载荷下的复合材料模式11分层失效问题伴随着复杂的摩擦接触,结合内聚力理论和Mohr-Coulomb摩擦接触律,原创性地提出了一个内聚力／摩擦接触耦合模型,发展了有限元数值计算程序,通过与解析解比较,准确预测了摩擦系数、内聚力强度、铺层角度等对摩擦分层和载荷响应的影响规律。本文主要有三个方面的创新：第一,发展了三维指数内聚力数值计算技术,较好解决了基于内聚力模型的有限元分析时的网格敏感性、数值收敛性以及虚拟位移跳等数值问题；第二,将该技术应用于压缩、弯曲等载荷作用下的分层的失效分析中,准确预测了相应载荷作用下的分层失效机理；第三,原创性地提出了一个指数内聚力／摩擦接触耦合模型并应用于摩擦分层失效研究中。本研究结果为合理选择内聚力模型参数、准确和高效地预测复合材料分层失效机理以及结构性能退化机理提供理论和技术支撑。研究结果将有望进一步运用于航空航天复合材料结构以及复合材料气瓶、风力发电机叶片、汽车、船舶等结构中,预测这些结构在实际应用中的分层失效机理。
【关键词】：碳纤维复合材料 分层失效 内聚力理论 有限元分析
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33;TQ342.742
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• ABSTRACT8-15
• 第一章 绪论15-31
• 1.1 研究背景15-16
• 1.2 内聚力理论模型16-25
• 1.2.1 双线性内聚力模型17-19
• 1.2.2 梯形内聚力模型19
• 1.2.3 指数内聚力模型19-25
• 1.3 研究现状及存在的问题25-29
• 1.4 本文研究内容29-31
• 第二章 内聚力模型的有限元格式及数值实现31-39
• 2.1 含界面不连续的应力边值问题31-32
• 2.2 内聚力模型的有限元格式32-34
• 2.3 内聚力模型的数值程序34-38
• 2.4 本章小结38-39
• 第三章 压缩和弯曲载荷作用下复合材料分层失效研究39-61
• 3.1 压缩载荷作用下的分层失效研究39-53
• 3.1.1 几何模型与材料参数39-41
• 3.1.2 有限元模型41-42
• 3.1.3 数值结果及讨论42-52
• 3.1.4 小结52-53
• 3.2 弯曲载荷作用下的分层失效研究53-61
• 3.2.1 几何模型与材料参数53-54
• 3.2.2 单腿三点弯曲分层试验54-56
• 3.2.3 单腿三点弯曲数值分析56-60
• 3.2.4 小结60-61
• 第四章 模式Ⅱ剪切分层内聚力/摩擦接触耦合模型和有限元分析61-81
• 4.1 理论模型61-64
• 4.2 理论模型的有限元实现64-66
• 4.2.1 含界面不连续和摩擦接触的应力边值问题64-65
• 4.2.2 内聚力/摩擦接触耦合模型的有限元算法65-66
• 4.3 摩擦剪切分层试样数值分析66-67
• 4.4 数值结果及讨论67-80
• 4.5 本章小结80-81
• 第五章 总结与展望81-85
• 5.1 总结81-83
• 5.2 展望83-85
• 参考文献85-91
• 附录A 基于ABAQUS-UEL的内聚力数值计算子程序91-93
• 附录B 实现内聚力/摩擦接触模型的有限元算法93-95
• 附录C 模式Ⅱ剪切分层断裂韧性的解析解95-97
• 作者简介97

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本文编号：319769