基于單胞解析模型與漸進(jìn)損傷分析的復(fù)合材料強度預(yù)報.pdf

1、纖維增強樹脂基復(fù)合材料作為一種高性能材料在航空、航天等工程領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)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(fù)合材料力學(xué)性能的一個核心問題。由于復(fù)合材料是一種多相材料,它的宏觀性能與其細(xì)觀組分材料性能密切相關(guān),其中強度性能也不例外。為了充分發(fā)揮復(fù)合材料的力學(xué)潛能,人們不斷深入認(rèn)識復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu),從細(xì)觀力學(xué)的角度出發(fā)預(yù)報復(fù)合材料的強度成為當(dāng)前研究的熱點之一。在這樣的背景下,發(fā)展一個有效的細(xì)觀

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

3、文主要研究工作如下:
　　1.單胞解析模型:在復(fù)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(yīng)變或應(yīng)力連續(xù)的假設(shè)條件,再結(jié)合均勻化理論,建立復(fù)合材料宏觀場量和細(xì)觀場量之間的關(guān)系,并可以實現(xiàn)宏觀和細(xì)觀場量之間的相互轉(zhuǎn)換。將復(fù)合材料細(xì)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(fù)合材料,預(yù)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(yù)報結(jié)果與宏觀實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比和

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

5、所有鋪層不再承載為止,進(jìn)而預(yù)報了單向和多向復(fù)合材料的縱橫向雙軸拉壓強度,并制定定量分析標(biāo)準(zhǔn),選取“破壞分析奧運會”中的理論與之對比,對預(yù)報結(jié)果進(jìn)行綜合測評;對于復(fù)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(jié)合建立漸進(jìn)損傷分析方法,分析V形開口梁損傷擴展過程,預(yù)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(zhǔn)確性;針對復(fù)合材料開孔板拉伸強度,

6、考慮基體細(xì)觀開裂的影響,應(yīng)用漸進(jìn)損傷分析方法分析纖維和基體的損傷擴展,預(yù)報不同鋪層角度層合板的拉伸強度,將預(yù)報結(jié)果與不考慮基體細(xì)觀開裂情況的預(yù)報結(jié)果進(jìn)行對比分析,并通過實驗結(jié)果驗證,證明考慮基體細(xì)觀開裂的情況更符合復(fù)合材料開孔板的實際情況,說明該預(yù)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(biāo)準(zhǔn),完成復(fù)合材料力學(xué)性能測試的相關(guān)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