含孔复合材料层合板剩余强度预测方法研究

摘要

随着先进复合材料越来越多地应用在航空结构上，复合材料层合结构不可避免地存在各种各样的孔。对含孔复合材料结构和破坏规律等进行研究，具有重要的工程实际意义，而疲劳载荷作用下含孔层合板剩余强度的研究则是其中重要的研究内容之一。 本文在简要介绍疲劳载荷下含孔层合板的剩余强度预测方法基础上，首先建立了基于孔边应力法的剩余强度预测方法。分析获得了疲劳载荷作用下含孔层合板孔边的应力分布，发展了含孔层合板的平均应力破坏准则，建立了基于孔边应力法的含孔层合板剩余强度预测模型。此模型形式简单，易于应用。但是，模型中相关参数与铺层方式、孔径大小有关，需要通过试验确定，这使得其通用性受到一定程度的限制。 为了提高对含孔层合板剩余强度的预测能力，本文进一步提出并建立了基于疲劳逐渐累积损伤理论的含孔层合板的剩余强度预测方法与技术。根据载荷及时间增量原理，推导了含孔层合板在疲劳及静载加载条件下，考虑逐渐累积损伤的虚功方程；采用三维失效准则进行材料的损伤判定，并考虑了基体开裂、基纤剪切、层间分层和纤维断裂等七种损伤失效模式；本文分析了在纵向疲劳载荷作用下，无孔单向层合板材料性能随疲劳循环数增加先单调递增后递减的变化趋势后，引入Shokrieh的改进材料性能退化模型模拟材料的逐渐累积损伤规律，对单元的失效采用材料性能突降模型进行退化，从而建立了基于累积损伤理论的含孔层合板剩余强度预测方法。在此基础上，以有限元软件ANSYS为平台，使用APDL语言编写了含孔层合板剩余强度预测程序。该程序可以预测不同孔径和任意铺层的含孔层合板剩余强度，提高了对含孔层合板剩余强度的预测能力。 最后，对所建立的两种预测模型和方法进行试验验证和分析。结果表明：两种模型预测得到的含孔层合板剩余强度均随疲劳循环数的增加而升高，该趋势与试验结果吻合；剩余强度的最大预测误差为16％，表明本文提出的两种预测方法是有效的。