纤维增强复合材料层合结构冲击损伤预测研究

摘要

汽车制造业不断发展新材料和新技术以适应汽车轻量化设计的要求.具有比强度大、比刚度和比吸能高等优点的纤维增强树脂基复合材料在汽车轻量化耐撞性结构设计(保险杠、前纵梁)中得到了越来越广泛地关注.在低速冲击作用下复合材料结构与传统金属结构的能量吸收和损伤破坏机理存在很大的差异,而且非常复杂.由于影响因素众多,尽管目前有许多预测复合材料低速冲击作用下的损伤和响应过程的计算模型,但仍然存在以下问题:纤维增强树脂基复合材料在冲击作用下将产生各种形式的损伤,如基体开裂、层间脱层和纤维断裂等,并且各种损伤相互作用.基于强度理论的预测模型不能很好地预测各种损伤的产生与扩展过程.因此需要建立描述各种损伤的力学模型,提出有效、可靠的适用于工程应用的数值预测方法,对复合材料结构的冲击响应和损伤问题作进一步深入系统的研究.因而,研究和建立一套有效的纤维增强树脂基复合材料结构的耐撞性数值仿真分析模型具有重大的意义和应用价值. 本文在充分吸收国内外树脂基纤维增强复合材料结构冲击作用下响应和损伤破坏机制的理论和实验研究基础上,针对冲击作用下复合材料结构内部产生的各种损伤模式,将其分为层内和层间两类损伤,并提出了一个有效的层合结构力学模型:将层合结构作为复合材料子层结构和界面层结构通过粘接装配而成.在此基础上,基于粘接域理论建立了界面层脱层损伤产生与扩展的分析模型;基于连续介质损伤力学建立了复合材料单层板层内各种损伤产生与扩展的分析模型.最后,基于显式有限元程序ABAQUS/Explicit,建立了适合于工程需要的预测纤维增强树脂复合材料层合结构冲击作用下层内和层间损伤及变形机理的有限元分析模型.主要创新性研究工作如下: (1)纤维增强复合材料层合结构脱层损伤分析模型建立针对纤维增强树脂基复合材料层合结构冲击作用下产生的脱层损伤这一基本的损伤形式,采用三维界面单元来模拟复合材料层合结构中产生脱层处的界面层;基于粘接域(Cohesive zone)理论,建立了统一的预测界面层脱层损伤行为的数学模型,采用损伤力学理论和断裂力学理论相结合的方法来模拟脱层损伤产生与扩展的整个过程,基于预测.修正的方法推导了该模型的数值算法,建立了预测层间脱层损伤产生与扩展的数值模型,并通过ABAQUS/Explicit的材料本构模型用户子程序接口实现.进行了单一开裂模式、混合开裂模式和低速冲击作用下碳/环氧复合材料层合结构(T300/914)脱层损伤产生与扩展的预测分析,验证了脱层损伤预测模型的正确性. (2)基于连续介质损伤力学的复合材料单层板损伤本构模型建立针对复合材料结构的层内损伤,建立了考虑了各种层内损伤的单层板本构模型.该模型基于连续介质损伤力学理论,引入了三个损伤变量分别用于描述层内的纤维断裂、基体开裂和纤维和基体界面脱粘损伤模式,并考虑了裂纹闭合效应对损伤的影响;基于应变加法分解的假设,考虑了复合材料基体与剪切方向的非弹性应变;在热力学第二定律框架下推导了该本构模型的状态方程;基于各向异性塑性力学理论,建立了考虑损伤耦合情况下非弹性应变的硬化方程;基于损伤力学理论建立了各损伤变量的损伤演化方程.基于预测-修正的方法推导了该本构模型的数值算法,通过显式有限元程序ABAQUS/Explicit的材料本构模型用户子程序接口实现.通过标准的复合材料力学试验,建立了一具体织物型玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的损伤本构模型,验证了所建立模型的正确性,并为该复合材料层合结构冲击作用下损伤预测分析提供了材料参数. (3)复合材料层合结构冲击作用下层内损伤与层间损伤预测分析基于层合结构力学模型,建立了预测层内和层间损伤产生与扩展的有限元模型.通过标准的复合材料断裂力学试验,确定了脱层损伤分析模型中的材料特性参数.进行了两种不同铺层方式的织物型玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料条形层合板的落锤在不同高度下的冲击试验和相同条件下的复合材料结构受冲击的数值仿真分析,验证了模型的正确性.在此基础上进行了汽车典型复杂结构-保险杠横梁在不同冲击速度下的结构损伤与响应的预测仿真分析. 本论文在充分吸收和借鉴前人成果的基础上,对纤维增强树脂基复合材料层合结构在冲击作用下结构响应和损伤预测的数值模型进行了研究,并具体应用于复合材料层合结构的分析.本文建立的数值模型为纤维增强树脂基复合材料的耐撞性分析提供了一套有效的数值仿真分析工具.

目录

文摘

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第一章 绪论

1.1课题的研究背景和意义

1.1.1课题的研究背景

1.1.2研究目的与意义

1.2国内外相关研究现状

1.2.1纤维增强树脂基复合材料的性能特点

1.2.2复合材料结构耐撞性实验研究

1.2.3复合材料结构耐撞性数值分析研究

1.3进一步研究的方向

1.4本文总体研究思路及主要内容

第二章 复合材料层合结构冲击损伤分析的力学模型及求解算法基础

2.1引言

2.2纤维增强树脂基复合材料层合板的结构特征

2.2.1纤维增强树脂基复合材料的制造工艺

2.2.2纤维增强树脂基复合材料层合板的描述规则

2.3冲击作用下纤维增强树脂基复合材料层合结构的损伤模式

2.3.1冲击作用下复合材料的层间脱层损伤

2.2.2冲击作用下复合材料的层内损伤

2.4复合材料层合结构损伤分析力学模型的定义

2.4.1面向多种损伤模式分析的层合结构几何模型

2.4.2各向异性单层板的材料模型

2.4.3经典层合板理论

2.5复合材料层合结构冲击响应分析的显式非线性有限元格式

2.6复合材料冲击响应分析的接触算法

2.6.1复合材料冲击作用下的静态接触与动态接触

2.6.2动态接触问题的处理方法

2.7小结

第三章 复合材料层合结构层间脱层损伤分析模型

3.1引言

3.2复合材料层合结构脱层损伤预测研究回顾

3.3复合材料层合结构层间脱层裂纹能量释放率

3.4复合材料层合结构界面单元模型

3.4.1界面单元及其形函数

3.4.2无损伤界面层的本构模型

3.4.3界面单元刚度矩阵

3.5基于粘接域理论的界面脱层损伤预测模型

3.5.1界面脱层损伤变量的定义

3.5.2界面脱层损伤产生与开裂准则

3.5.3界面脱层损伤演化方程

3.6脱层损伤预测模型的数值求解方法

3.7小结

第四章 复合材料层合结构层间脱层损伤分析模型验证

4.1引言

4.2控制双悬臂梁张开位移率方式下裂纹扩展分析

4.3复合材料层合结构多处脱层的扩展分析

4.4低速冲击作用下复合材料层合结构层间脱层损伤预测分析

4.4.1复合材料单层板逐渐累积损伤材料模型

4.4.2低速冲击下碳纤维增强环氧树脂层合板脱层损伤预测分析

4.5小结

第五章 基于连续介质损伤力学的复合材料单层板本构模型与试验验证

5.1引言

5.2复合材料单层板层内损伤分析的损伤力学理论

5.2.1连续介质损伤力学基本原理

5.2.2热力学第二定律

5.2.3单层板层内损伤变量的定义

5.2.4有效应力定义

5.3基于损伤力学的复合材料本构模型的回顾

5.4基于连续介质损伤力学的复合材料单层板本构模型

5.4.1复合材料单层板层内损伤变量的定义

5.4.2单层板本构模型的状态方程

5.4.3复合材料单层板非弹性应变的塑性本构模型

5.4.4复合材料单层板损伤演化方程

5.5复合材料单层板本构模型数值化算法

5.5.1非线性方程组的Newton-Raphson方法

5.5.2复合材料单层板本构模型的数值化实现

5.6纤维增强复合材料单层板层内损伤本构模型试验验证

5.6.1试验材料

5.6.2复合材料[0]8单向铺设纤维向拉伸实验

5.6.3复合材料[±450]3s对称铺设面内循环剪切实验

5.7小结

第六章 复合材料层合结构冲击损伤预测分析

6.1引言

6.2复合材料层合结构有限元模型

6.2.1复合材料子层结构有限元模型

6.2.2板壳单元与界面单元间的连接分析

6.3复合材料层间损伤分析的模型参数确定

6.3.1基于柔度方法测量断裂韧性的实验理论

6.3.2复合材料层间损伤Ⅰ型断裂韧性参数的测量

6.3.3复合材料层间损伤Ⅱ型断裂韧性参数的测量

6.4复合材料层合结构冲击损伤预测的数值分析与实验验证

6.4.1[0]12单向铺设复合材料层合板冲击损伤预测分析与实验验证

6.4.2[03/453]s铺设复合材料层合板冲击损伤预测分析与实验验证

6.5复杂复合材料结构冲击下响应与损伤的预测仿真分析

6.6小结

第七章 结论

7.1主要研究工作和结论

7.2主要创新点

7.3研究工作进一步展望

参考文献

致谢

作者攻读博士学位期间完成的学术论文