基于近场动力学的复合材料单向板渐进损伤模拟与实验研究

摘要

近场动力学（PD）理论由于其可自然描述不连续及多尺度计算等优点，近年来在结构损伤模拟中得到了广泛的关注。复合材料在航空航天、船舶与汽车等国民重点领域中已得到普遍的应用，其各向异性材料特征及复杂的失效模式一度成为PD理论研究的热门问题。通用复合材料PD模型的基本假设为：在单层板面内的键由纤维键和基体键共同构成，只有沿纤维方向的键定义为纤维键，其他方向都为基体键。通用模型假设尽管一定程度上在保证总体计算精度的情况下减小了计算消耗，然而推广至普遍情形时却无法完全反映复合材料的各向异性等特性，势必造成模拟不同角度纤维方向时具有较大的误差。本文针对通用模型的误差问题进行了细致的数值计算与分析，对比分析了三种修正方法，即：近场范围修正、近似取点修正以及球函数模型修正。修正结果对比显示，近场范围修正与近似取点修正方法都无法真正解决通用模型的误差问题，唯有新提出的球函数修正采用随角度连续变化的微模量函数有效减小了误差。
　　本文从能量等效角度出发，采用球函数表示的微模量计算得到 PD应变能密度，并与经典层合板应变能密度对比得到待定参数。编写相应的Fortran计算程序，采用经典PMB材料模型并引入键最大“应变”失效准则。对各向同性材料板进行了弹性变形阶段的位移对比和收敛性分析及失效阶段的裂纹扩展模拟，与理论解或有限元结果进行了对比分析，说明了 PD方法模拟断裂问题的可行性与有效性。
　　为验证 PD方法在复合材料应用中的有效性与准确性，对含缺陷复合材料单向板进行了准静态拉伸实验。实验件可分为A类拉伸件和B类含混合裂纹件，通过实验得到不同缺陷形式、不同纤维方向下的复合材料单向板的破坏模式，为后续进行的 PD模拟提供对比和参照。对实验中采用的实验件进行了数值离散，分别考虑结构中常见的开孔与线裂纹两种形式，模拟了纤维角度为0度、45度、90度方向单向板在受拉情况下的渐进损伤过程，得到裂纹的扩展路径及最终破坏模式。PD模型与实验得到的结果吻合较好，反映了近场动力学在复合材料裂纹扩展及破坏问题的有效性。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题来源及研究背景

1.2 研究目的和意义

1.3 近场动力学国内外研究现状

1.4 本文的主要研究内容

第2章 基于球函数的复合材料近场动力学模型

2.1 引言

2.2 近场动力学基础

2.3 复合材料的通用PD模型

2.4 基于球函数的复合材料PD模型

2.5 本章小结

第3章 复合材料单向板力学性能实验

3.1 引言

3.2 试验设备及试样概述

3.3 试验过程及结果分析

3.4 本章小结

第4章 基于键的PD复材模型修正

4.1 引言

4.2 无损伤PD程序设计

4.3 各向同性材料验证

4.4 PD复材模型近场范围收敛性分析

4.5 基于通用复材模型的PD模拟

4.6 物质点修正

4.7 本章小结

第5章 复合材料单向板PD渐进损伤模拟

5.1 引言

5.2 含损伤PD程序设计

5.3 各向同性材料PD渐进损伤模拟

5.4 复合材料单向板PD渐进损伤模拟

5.5 混合型裂纹实验的PD模拟

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢