复合材料层合板损伤模型的建构方法及其应用

摘要

复合材料由于具有优异的材料性能，已在各种工程领域中得到广泛应用。为了充分利用复合材料的优异性能，研究人员提出了大量的损伤模型来分析复合材料的力学行为。虽然众多损伤模型可以解决很多工程问题，但也给研究人员的选择和应用带来了很大的困难。为了梳理损伤模型的发展脉络，理清当前各种损伤模型之间存在的关系，指导工程人员构建合适的损伤模型，对当前存在的复合材料损伤模型的建构方法进行研究，已非常迫切。本文针对上述问题，开展的研究内容主要有：
　　（1）针对复合材料层内损伤模型的本构关系、失效准则、损伤变量、损伤刚度矩阵，和在层间建模的内聚力模型的本构关系、分层损伤发生准则、分层损伤演化准则，以及在层内建模的分层损伤失效准则八个部分，综合相关文献，本文从试验、理论和经验三个角度系统总结了它们的有效建构方法。其中以层内损伤模型的失效准则的建构方法最多，且内涵最丰富。同时，针对分层损伤问题，综合相关文献，系统总结了各种分层损伤模拟技术的建构方法。系统提出损伤模型的建构方法，不仅可以将隐藏在相关文献中的建构思路清晰化，加深理解损伤模型建构过程的实质，还可以完善损伤模型的内容，提出新的损伤模型，以及为损伤模型的进一步发展打下基础。
　　(2)在理解所提建构方法的基础上，提出了新的层内损伤模型的失效准则、损伤变量、损伤刚度矩阵，和新的内聚力模型的本构关系、分层损伤发生准则、分层损伤演化准则。最后，讨论了损伤模型的建构过程，以及各种建构方法之间的关系，并给出了一个关于分层损伤演化准则的统一表达式。
　　(3)基于第二章提出的综合法，本文分别提出了一个带有四个主参数的二维复合材料失效准则和一个带有五个主参数的三维失效准则。二维失效准则主要包含纤维拉伸失效、纤维压缩失效、基体开裂失效、基体挤裂失效四种失效模式；三维失效准则还包含一个分层准则。同时，基于相关工作，对上述新失效准则中的基体压缩准则进行修正。在此基础上，讨论了新失效准则的基本构成部分、特殊形式和修正形式，并根据试验讨论了新失效准则中主参数的识别过程及其意义。研究发现：当前众多失效准则的系数依然是一个经验值集合，任何一种材料都需要通过试验确定失效准则的系数。
　　(4)针对层合板的静态损伤问题，基于Tsai-Wu准则，本文构建了一个新的CDM模型，并采用此模型模拟了两种铺层层合板的静态拉伸过程。同时，针对层合板的低速冲击问题，本文同样构建了一个CDM模型，并采用此模型讨论了损伤变量和失效准则的系数对数值结果的影响。研究表明：不同的损伤变量定义和不同的失效准则的系数都会影响复合材料层合板在冲击载荷作用下的损伤描述。
　　(5)针对复合材料层合板在制备、运输和服役期间存在的多次加载问题，提出了一个场变量分析法。基于场变量分析法，首先模拟了DCB模型的损伤过程。数值结果表明层合板的应力分布和载荷-位移曲线与试验结果一致，场变量分析法可靠。然后，基于场变量分析法，讨论了冲击损伤对层合板振动模态和固有频率的影响。数值结果表明冲击损伤可以导致层合板固有频率和高阶模态的变化，并且固有频率的下降主要是由基体损伤造成的。
　　本文针对复合材料层合板的损伤模型展开研究，系统总结了损伤模型的建构方法。基于部分建构方法，给出了新的失效准则、损伤变量、刚度矩阵和本构关系，建立了两个具有不同用途的连续损伤力学模型，并提出了一个用于处理多次加载问题的场变量分析方法。该研究工作可以为复合材料层合板构建新模型和找出模型之间存在的关系提供完整的研究思路和研究方法，并为损伤模型的进一步发展打下基础。

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英文摘要

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1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 存在的主要问题

1.4 本文的主要研究内容

2 复合材料层合板损伤模型的建构方法研究

2.1 复合材料层合板损伤模型的建构方法

2.2 分层模拟方法的建构方法

2.3 部分建构方法的应用

2.4损伤模型的建构过程

2.5各种建构方法的关系

2.6本章小结

3 基于综合法的复合材料层合板失效准则

3.1 基于综合法的二维失效准则

3.2 基于综合法的三维失效准则

3.3 基于综合法的失效准则的特征

3.4主参数的试验识别

3.5 本章小结

4 复合材料层合板的静态损伤和低速冲击损伤研究

4.1 层合板的静态损伤模拟

4.2 层合板低速冲击损伤模拟

4.3 本章小结

5 复合材料层合板多次加载下的场变量分析方法

5.1 含冲击损伤的层合板剩余强度分析方法

5.2 场变量分析法

5.3 数值应用

5.4 本章小结

6 总结与展望

6.1全文总结

6.2 本文主要创新点

6.3 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文和参加科研情况

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