復(fù)合材料多向損傷理論與試驗驗證.pdf

1、隨著復(fù)合材料在工程中的應(yīng)用越來越廣泛，有壽命要求的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計采用靜力覆蓋疲勞的思想已不適應(yīng)設(shè)計要求，為此需要對復(fù)合材料損傷機理進行深入系統(tǒng)地研究。本文在復(fù)合材料損傷力學(xué)的分析框架下，以損傷為“橋梁”，連接復(fù)合材料力學(xué)性能與外載荷。分別研究了復(fù)合材料多向剛度性能隨損傷的變化規(guī)律以及損傷隨載荷歷程的變化規(guī)律，進而獲得復(fù)合材料剛度性能隨外載荷的變化規(guī)律；分別建立了復(fù)合材料剛度性能表征的連續(xù)介質(zhì)多向損傷力學(xué)模型(CMDM)、準靜態(tài)載荷以及

2、疲勞載荷下復(fù)合材料基體裂紋多向損傷協(xié)同演化模型(MDCE)，并進行了試驗驗證。本文的主要研究工作和研究成果有：
　　對復(fù)合材料損傷力學(xué)的研究內(nèi)容進行了系統(tǒng)的綜述，介紹了現(xiàn)階段損傷的剛度性能表征和損傷的演化規(guī)律的研究進展。從失效學(xué)系統(tǒng)論的角度，對復(fù)合材料損傷力學(xué)研究中的關(guān)注點進行了闡述。根據(jù)復(fù)合材料損傷的特點，選用協(xié)調(diào)多尺度建模策略，在不同尺度下研究損傷的多向影響，構(gòu)建了復(fù)合材料損傷的協(xié)調(diào)多尺度分析與多向損傷理論框架。
　　開

3、展了E-glass/YPX-3300玻璃纖維復(fù)合材料損傷機理的試驗研究。完成了材料基本力學(xué)性能測定試驗、復(fù)合材料層合板試件在準靜態(tài)載荷下的損傷演化試驗、常幅疲勞載荷下的損傷演化試驗以及復(fù)合材料圓管試件多軸加載試驗。
　　提出了復(fù)合材料剛度性能表征的連續(xù)介質(zhì)多向損傷力學(xué)模型。在微觀尺度下，定義了損傷張量，并采用參數(shù)化建模的有限元方法確定損傷的多向微觀響應(yīng)；在宏觀尺度下，推導(dǎo)了以損傷為變量的復(fù)合材料單向板以及層合板的剛度性能，很好地表

4、征了復(fù)合材料彌散型損傷對剛度性能的影響。采用Varna以及本文的試驗結(jié)果驗證了該模型多向剛度性能表征的預(yù)測能力。
　　建立了準靜態(tài)載荷下復(fù)合材料多向損傷協(xié)同演化的能量模型。在宏觀尺度下，推導(dǎo)了包含微觀損傷響應(yīng)的基體裂紋損傷的能量釋放率表達式，結(jié)合能量準則判定裂紋萌生。模型考慮了損傷間的相互作用、殘余應(yīng)力、材料非線性、材料初始損傷與損傷演化的不均勻性，給出了模擬分析流程。通過比較預(yù)測與試驗結(jié)果，說明模型能夠較準確地預(yù)測準靜態(tài)載荷下復(fù)

5、合材料損傷演化規(guī)律，并討論了層合板的“就位”效應(yīng)。
　　提出了疲勞載荷下復(fù)合材料基體裂紋協(xié)同損傷多向演化模型。用初始裂紋萌生壽命曲線表征復(fù)合材料開裂層的疲勞特性，基于經(jīng)典的Miner理論提出了復(fù)合材料損傷累積理論。該模型建立在準靜態(tài)載荷損傷演化模型基礎(chǔ)上，通過引入準靜態(tài)分析中的臨界能量釋放率的分布，獲得考慮初始缺陷的裂紋萌生壽命曲線；討論了疲勞載荷水平對疲勞損傷演化過程的影響，亦給出了疲勞損傷演化模擬分析流程。采用常幅疲勞載荷下正