层合复合材料低速冲击后疲劳损伤数值模拟

摘要

复合材料具有比强度高，比刚度大，可设计性等诸多优点，广泛应用于航空航天飞行器结构设计中。然而复合材料结构在生产制备以及使用过程中，容易受到各类损伤，尤其是各种低速冲击往往会在层合板内部造成诸如纤维断裂、基体开裂、层间分层等损伤。这些损伤会导致结构承载能力及疲劳性能的大幅下降，对结构的安全使用造成严重威胁。因此，开展复合材料层合板低速冲击后的疲劳损伤扩展研究，对于提高复合材料层合板使用中的安全性，降低维护成本具有重要的工程应用价值。主要的研究内容包括： （1）对一种碳纤/环氧树脂体系的复合材料层合板进行了低速冲击试验和冲击后的静压缩试验、压-压疲劳试验。用超声C扫测量了含15J、25J两种冲击能量下层合板的疲劳损伤扩展，获得了疲劳循环次数和内部损伤面积以及层合板压缩刚度之间的关系； （2）发展了复合材料层合板层内和层间疲劳损伤和最终失效模型，模型不仅能够反映复合材料层合板各种损伤形式的演化，还能反映对应损伤机理； （3）对ABAQUS软件进行二次开发，编写了用户自定义材料的损伤分析子程序，实现了参数建模。并提出了一个包含多层铺层的块体单元模型，提高了运算效率； （4）利用建立的有限元模型，对复合材料层合板的低速冲击和冲击后疲劳损伤过程进行了模拟，通过对比15J、25J能量冲击后复合材料压-压疲劳损伤扩展的理论预测与试验结果，验证了本文所建模型的合理性，得到了含低速冲击损伤的复合材料层合板疲劳损伤扩展的规律。

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