复合材料层合板结构非局部渐进失效建模与有限元分析

摘要

碳纤维增强复合材料由碳纤维增强体和树脂基体组成，它具有一系列优异性能，如高强度、可设计性强、低密度、低热膨胀系数等，是先进材料领域重点开发、研究的一种结构材料，具有良好的应用前景。然而，复合材料失效机理通常非常复杂，对强度、刚度、损伤容限以及剩余寿命的评估和预测提出了较大挑战。目前，国内外在复合材料渐进失效领域已经开展了诸多研究，然而通常实际应用中的复合材料几何形状和失效机理复杂，经常导致应力集中和局部化问题，根本特征是刚度退化带来的应变软化问题，这使得运用常规有限元分析结构力学性能失去客观性，数值求解失去意义。这是因为局部化问题自然引入了尺度比例而连续介质力学缺乏尺度比例参数。目前国内外在复合材料局部化问题的研究非常少。本文基于非局部积分理论和连续损伤力学理论，针对碳纤维复合材料层合板结构，基于ABAQUS有限元软件发展了有限元数值计算技术，开展了非局部渐进失效分析，深入研究了含中心开孔复合材料层合板的渐进失效机理和强度。取得的研究进展如下:
　　(1)建立了复合材料层合板渐进失效分析预测理论模型，确定了以等效应变作为判断纤维和基体失效的参量，推导了针对纤维断裂和基体开裂损伤变量的破坏进化律及一致切线模量，为复合材料的强度预测提供理论支撑。
　　(2)基于非局部积分理论，将控制应变软化的内变量-等效应变进行非局部平均处理，从而在模型中引入针对纤维和基体的两个尺度比例参数，最后针对隐式有限元求解问题，推导了各向异性非局部一致切线模量，为解决复合材料应变局部化问题提供了理论基础。
　　(3)运用ABAQUS-UEL（用户自定义单元子程序模块），UMAT（用户自定义材料子程序模块），USDFLD（用户场变量子程序模块）和UEXTERNALDB（用户外部数据接口应用子程序模块），开展数值编程，实现了提出的非局部渐进失效模型，从而形成了复合材料非局部渐进失效分析数值计算技术。
　　(4)针对含中心圆孔复合材料层合板结构，运用上述提出的非局部渐进失效理论模型，开展了非局部有限元分析，与试验结果进行比较，探讨了开孔半径、铺层方式、网格尺寸和非局部尺度比例参数对复合材料层合板渐进失效特性和强度、刚度的影响规律。

目录

声明

致谢

摘要

插图和附表清单

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状及存在问题

1．3 本文研究工作和创新点

第二章 复合材料层合板渐进失效分析与损伤理论模型

2．1 引言

2．2 层合板应力计算

2．3 复合材料层内损伤模型

2．4 复合材料层间分层内聚力模型

2．5 本章小结

第三章 非局部积分理论与有限元实现

3．1 应变局部化问题与非局部理论概述

3．2 非局部渐进失效模型

3．3 非局部有限元算法

3．4 本章小结

第四章 复合材料层合板渐进失效有限元分析与结果讨论

4．1 含圆孔复合材料层合板试样

4．1．1 基本参数

4．1．2 几何模型

4．2 基于ABAQUS的复合材料层合板渐进失效有限元分析

4．3 复合材料层合板渐进失效有限元分析结果

4．3．1 [0°／90°]4s铺层复合材料层合板损伤演化过程

4．3．2 [0°／90°]4s铺层复合材料层合板计算结果

4．3．3 [0°／45°]4s铺层复合材料层合板损伤演化过程及不同参数对载荷响应的影响

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

附录

硕士期间取得的科研成果和奖励