基于單胞解析模型與漸進損傷分析的復合材料強度預報.pdf

1、纖維增強樹脂基復合材料作為一種高性能材料在航空、航天等工程領域得到廣泛的應用。復合材料及結構的破壞常常對人們的生命和財產(chǎn)造成巨大的損失,強度問題就成為考察復合材料力學性能的一個核心問題。由于復合材料是一種多相材料,它的宏觀性能與其細觀組分材料性能密切相關,其中強度性能也不例外。為了充分發(fā)揮復合材料的力學潛能,人們不斷深入認識復合材料細觀結構,從細觀力學的角度出發(fā)預報復合材料的強度成為當前研究的熱點之一。在這樣的背景下,發(fā)展一個有效的細觀

2、力學模型,對復合材料的強度進行預報具有重要的意義,這也將為復合材料結構設計的優(yōu)化和性能的評價提供理論指導。
　　本文將一種細觀力學模型——單胞解析模型與漸進損傷分析方法結合,建立了復合材料強度性能預報方法,在預報宏觀強度性能的同時分析細觀組分材料的應力狀態(tài),并揭示細觀組分的損傷擴展過程。為了更好的應用本文所建立的強度性能預報方法解決復合材料力學性能測試方面的問題,開發(fā)了復合材料力學性能虛擬測試平臺,以此為工程應用服務。具體來說,本

3、文主要研究工作如下:
　　1.單胞解析模型:在復合材料中選取合適的代表性體積元作為單胞模型,將單胞模型劃分成纖維和基體組成的子胞,通過子胞位移、應變或應力連續(xù)的假設條件,再結合均勻化理論,建立復合材料宏觀場量和細觀場量之間的關系,并可以實現(xiàn)宏觀和細觀場量之間的相互轉換。將復合材料細觀和宏觀性能參數(shù)分別作為單胞解析模型的輸入和輸出,選擇了四種復合材料,預報了它們的五個獨立彈性性能參數(shù)。將這種方法得到的預報結果與宏觀實驗數(shù)據(jù)進行對比和

4、驗證,并在此基礎上應用該方法分析了復合材料細觀參數(shù)對宏觀性能的影響規(guī)律。
　　2.強度性能預報:主要包括單向和多向復合材料在雙軸加載情況下的拉壓強度預報、復合材料面內(nèi)剪切漸進損傷分析與強度預報和復合材料層合板開孔拉伸漸進損傷分析與強度預報。針對復合材料縱橫向雙軸拉壓載荷作用,給出組分材料的失效準則,判斷其損傷情況,若發(fā)生損傷則衰減相應組分材料的剛度,通過單胞解析模型將細觀組分的彈性和損傷性能傳遞到宏觀復合材料結構中,循環(huán)計算,直到

5、所有鋪層不再承載為止,進而預報了單向和多向復合材料的縱橫向雙軸拉壓強度,并制定定量分析標準,選取“破壞分析奧運會”中的理論與之對比,對預報結果進行綜合測評;對于復合材料面內(nèi)剪切強度問題,從 V形開口梁面內(nèi)剪切實驗出發(fā),考慮基體非線性剪切性能,將單胞解析模型與ABAQUS顯式有限元分析結合建立漸進損傷分析方法,分析V形開口梁損傷擴展過程,預報面內(nèi)剪切強度,最后通過±45°拉伸實驗驗證基體非線性剪切模型的準確性;針對復合材料開孔板拉伸強度,

6、考慮基體細觀開裂的影響,應用漸進損傷分析方法分析纖維和基體的損傷擴展,預報不同鋪層角度層合板的拉伸強度,將預報結果與不考慮基體細觀開裂情況的預報結果進行對比分析,并通過實驗結果驗證,證明考慮基體細觀開裂的情況更符合復合材料開孔板的實際情況,說明該預報方法具有合理性。
　　3.虛擬測試平臺:借助ABAQUS有限元分析軟件,參考ASTM標準,完成復合材料力學性能測試的相關數(shù)值模擬,將幾何模型參數(shù)化,將數(shù)值模型優(yōu)化,選擇最佳的材料及損傷