短纤维增韧层间复合材料板内浅埋分层扩展研究

摘要

纤维增强复合材料因其具有比强度高、比刚度大和材料性能可设计的特点，使得其在许多重要结构中得到了应用，并且成为最具有发展前途的新型结构材料之一。可是层合复合材料的层间性能低的特点严重的制约了该种材料的广泛应用，其破坏的主要形式是分层，因此如何提高层合复合材料的层间韧性和抗分层能力已经成为各国学者关注的焦点。所以，复合材料层合板分层裂纹扩展的有限元分析具有重要的理论意义和应用价值。
　　建立了板内浅埋分层损伤复合材料层合板的三维有限元模型。在考虑几何非线性和接触非线性的情况下，采用混杂模式下通用裂纹扩展准则和虚拟裂纹闭合技术分析了复合材料层合板的分层裂纹扩展过程。在分层界面引入接触单元，在分层前缘预开裂路径上使用节点双编号的方法，预先将双节点进行耦合处理，采用节点分离法模拟分层的动态扩展。在计算过程中首先计算分层前缘沿能量释放率分布，当某个节点的能量释放率满足裂纹扩展条件时，解除该节点的耦合，通过一种非线性弹簧单元来模拟层间短纤维使之达到引入短纤维桥联力的作用，通过改变弹簧的拉伸刚度和剪切刚度来修正短纤维桥联力，避免了复杂的迭代计算过程。
　　结果表明:开裂主要发生在垂直载荷作用的区域，且受铺层角度的影响;层间短纤维延缓了分层扩展，增韧效果明显。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 研究现状

1．3 本文主要工作

第2章 基本理论

2．1 非线性几何方程

2．1．1 全量形式的非线性几何方程

2．1．2 增量形式的非线性几何方程

2．2 接触非线性

2．3 本构关系

2．3．1 全量形式的本构关系

2．3．2 弹性系数阵的坐标变换

2．3．3 增量形式的本构关系

2．4 非线性有限元方程

2．4．1 单元位移函数

2．4．2 非线性平衡方程的求解方法

2．5 屈曲特征方程

2．6 本章小节

第3章 复合材料层合板的分层扩展模拟

3．1 复合材料层合板的能量释放率的计算

3．2 复合材料层合板的分层扩展过程分析

3．3 模型简化对计算结果的影响

3．4 边界条件对能量释放率的影响

3．5 纤维铺设角度对能量释放率和分层扩展的影响

3．6 本章小节

第4章 层间短纤维增韧复合材料层板分层扩展研究

4．1 引言

4．2 层间短纤维模型建立

4．3 层间短纤维桥联力对能量释放率的影响

4．4 层间短纤维对分层扩展的影响

4．4．1 层间短纤维桥联力对层合板分层扩展的影响

4．4．2 层间短纤维使能量释放率阈值的改变对层合板分层扩展的影响

4．4．3 层间短纤维考虑综合因素后对层合板分层扩展的影响

4．5 本章小结

第5章 结论及展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢