基于连续介质损伤力学的复合材料层合板低速冲击损伤模型

基于连续介质损伤力学（CDM）方法,建立了分析复合材料层合板低速冲击问题的三维数值模型。该模型考虑了层内损伤（纤维和基体损伤）、层间分层损伤和剪切非线性行为,采用最大应变失效准则预测纤维损伤的萌生,双线性损伤本构模型表征纤维损伤演化,基于物理失效机制的三维Puck准则判断基体损伤的起始,根据断裂面内等效应变建立混合模式下基体损伤扩展准则。横向基体拉伸强度和面内剪切强度采用基于断裂力学假设的就地强度（in-situ strength）。纤维和基体损伤本构关系中引入单元特征长度,有效降低模型对网格密度的依赖性。层间分层损伤情况由内聚力单元（cohesive element）预测,以二次应力准则为分层损伤的起始准则,B-K准则表征分层损伤演化。分别通过数值分析方法和试验研究方法对复合材料典型铺层层合板四级能量低速冲击下的冲击损伤和冲击响应规律进行分析,数值计算和试验测量的接触力-时间曲线、分层损伤的形状和面积较好吻合,表明该模型能够准确地预测层合板低速冲击损伤和冲击响应。     

基于应变能耗散的复合材料层合板面内缺口强度分析CDM模型

基于伴随能量释放的渐进损伤演化思想,建立了复合材料层合板面内失效分析的连续介质损伤力学（CDM）分析模型,该模型包含损伤表征、损伤起始判定和损伤演化法则3个方面。基于CDM模型,通过引入损伤状态变量表征损伤,建立了平面应力状态下的材料损伤本构模型。采用损伤参量 f_E改写Hashin准则,以判定损伤的起始。损伤演化由特征长度内的应变能释放密度控制,建立了损伤状态变量关于等效应变的渐进损伤演化法则。模型中还同时考虑了面内剪切非线性和网格敏感性,并进行了对比分析。对含缺口的[90/0/±45]_3s和[（±θ）₄]_s 2类典型复合材料层合板的面内拉伸失效进行了分析,结果表明,本文中的模型能有效预测复合材料层合板的面内拉伸强度。     

复合材料连续损伤力学模型在螺栓接头渐进失效预测中的应用

提出考虑层合板面内(纤维和基体失效)和层间失效的复合材料连续损伤力学模型,对螺栓接头的渐进失效行为进行预测。基于Tsai-Wu强度准则,发展可以判定复合材料面内和层间失效的强度准则。采用幂指数衰减材料退化模型模拟复合材料的损伤扩展过程。建立连续损伤力学模型用以研究0°铺层比例和螺栓直径对复合材料螺栓接头挤压性能的影响,预测结果与实验结果吻合。结果表明:0°铺层比例过高,接头发生剪切破坏,降低连接结构承载能力;增大螺栓直径,层合板损伤受到抑制,可提高复合材料螺栓接头的挤压强度。      

三维编织复合材料渐进损伤模拟及强度预测

采用考虑纤维束相互挤压的纤维束截面八边形单胞模型, 引入周期性边界条件, 对三维编织复合材料的渐进损伤过程进行数值模拟, 并预测了材料的拉伸强度。通过在应变能密度函数中引入损伤状态变量, 建立了含损伤材料的刚度矩阵, 运用基于不同失效模式下损伤状态变量的刚度渐进折减法表征材料积分点损伤, 通过数值结果与试验结果的对比, 分析了Hashin和Tsai-Wu两种准则作为判定纤维束起始损伤的适用性。分析表明: 基于引入不同失效模式的Tsai-Wu准则的数值模拟和试验结果吻合良好; Hashin准则不适合作为编织纤维束的损伤判据; 不同编织角材料的失效机制不同。      

复合材料层板开孔拉伸损伤分析

针对纤维增强复合材料层板开孔拉伸, 将复合材料层板的失效分为层内失效和层间失效, 建立了复合材料层板开孔拉伸损伤分析模型。该模型基于逐渐损伤分析, 对不同复合材料开孔层板进行了失效预测, 并与文献试验结果进行了对比, 破坏强度和失效模式均与文献试验结果非常吻合。结果表明本文中所建立的层板开孔拉伸损伤分析模型能够模拟含孔层合板拉伸过程中的损伤起始、 损伤扩展和最终破坏模式, 并最终预测含孔层合板拉伸失效模式和破坏强度。      

碳纤维层合板弹体冲击仿真方法研究

为了研究碳纤维增强复合材料层合机匣对高速撞击碎片的包容能力,通过LS-DYNA对圆柱弹体撞击BMS8-212层合增强复合材料进行动态仿真计算。有限单元计算模型中,层板材料采用连续损伤材料本构模型,层间采用固连失效接触模式。通过与试验结果的比较,验证了数值仿真方法的可靠性。发现,纤维增强复合材料层合板在弹体的横向高速撞击下主要的失效形式为纤维剪切、纤维和基体挤压、分层破坏、拉伸失效。     

针刺C/C复合材料面内拉伸强度预测

为研究针刺碳纤维增强碳基体复合材料(针刺C/C复合材料)面内拉伸强度与渐进损伤,建立了针刺C/C复合材料代表性体积单元有限元模型。模型包含无纬布层、网胎层、针刺纤维束、界面4类子区域,并考虑了孔隙的影响。采用基于应变的破坏准则及指数型损伤演化规律研究无纬布层及针刺纤维束损伤,采用弹塑性本构研究网胎层损伤,采用内聚力牵引分离定律和二次应力破坏准则分析界面损伤。通过两步法计算了孔隙对材料性能的折减效果,并得到上述4个子区域的力学性能,通过ABAQUS UMAT预测了材料的面内拉伸应力-应变曲线及各子区域损伤起始、演化与失效过程,非线性趋势及拉伸强度数值与试验数值吻合较好,验证了该模型有效性。      

单向纤维增强聚合物复合材料压缩渐进破坏单向纤维增强聚合物复合材料压缩渐进破坏

复合材料结构在承压时破坏如何演化,是其强度破坏分析的基础和核心任务。本文提出了基于连续介质损伤力学（CDM）的单向纤维增强聚合物复合材料压缩破坏渐进损伤分析（PDA）模型。建模中考虑了材料非线性行为、失效判断及损伤演化中材料性能退化等基本问题,分别对应于拉压不对称弹塑性本构关系、Puck准则、LaRC05准则及考虑破坏面方向的刚度退化方法。该模型通过用户材料子程序接口VUMAT引入到有限元软件ABAQUS中实现了有限元求解。对文献中提供的纵向、横向及偏轴压缩案例进行了数值计算并与试验数据对比。数值分析结果与试验数据吻合较好,证明了该方法的合理性和有效性,对开展多向层合板压缩破坏分析富有参考价值。      

三维六向编织复合材料渐进损伤模拟及强度预测

基于三维六向编织复合材料的细观结构,假设第六向纱线的截面形状为菱形,建立了三维六向编织复合材料的渐进损伤有限元模型。采用Linde等提出的失效准则,引入周期性位移边界条件,对三维六向编织复合材料的纵向拉伸应力-应变行为进行了渐进损伤数值模拟,讨论了单胞模型在纵向拉伸载荷作用下的细观损伤起始、扩展和最终失效的演化过程,并预测了材料的拉伸强度。在此基础上,进一步研究了编织角、纤维体积分数和编织纱水平取向角等参数对材料纵向拉伸力学性能的影响规律。研究结果表明,三维六向编织复合材料的轴向纱线拉伸断裂是导致其破坏的最主要因素。所得数值结果与现有试验值吻合较好,验证了该模型的有效性,为更深入研究此类材料的力学性能奠定了基础。     

各向异性复合材料开孔板拉伸强度预测及模型验证

基于有限断裂力学方法建立了一种预测多向复合材料开孔板拉伸强度的通用和半经验模型。该模型同时采用基于应力形式的失效准则和基于能量形式的失效准则预测失效。模型仅需铺层弹性常数、无缺口层合板的强度以及0°铺层的断裂韧性等参数。基于线弹性断裂力学建立了多向复合材料层合板的断裂韧性与0°铺层断裂韧性之间的关系, 进而预测了任意铺层复合材料开孔板发生纤维主导拉伸失效时的强度。将模型预测结果与开孔板拉伸强度的试验数据进行了对比验证, 预测误差最大为9.7%, 与点应力和平均应力等方法的对比表明, 该模型的预测精度高于传统的特征长度方法。      

变刚度复合材料开孔板拉伸行为数值模拟及试验验证

纤维曲线铺放是提高复合材料构件力学性能的有效方法之一。本文针对复合材料开孔板铺放轨迹进行了研究,利用B样条曲线插值拟合获取了开孔板最大主应力铺放轨迹,并通过离散网格法建立了变刚度开孔板模型,通过引入Tsai-Wu损伤失效判据以及常刚度退化准则,进行了拉伸失效数值模拟及损伤失效分析,并分别铺放了两组常刚度和变刚度开孔板试验样件,进行了拉伸对比试验。结果表明：数值模拟与实验数据吻合较好,变刚度开孔板相比常刚度开孔板,拉伸强度提升了26.92%,且两者损伤失效演化过程显著不同。     

Off-axis notched strength of fiber–metal laminates and a formula for predicting anisotropic size effect

Experimental and theoretical studies of the effects of notch size and fiber orientation on the off-axis notched strength of the fiber–metal laminate GLARE-3 have been conducted. The notched strength decreased with increasing notch size, regardless of the fiber orientation. The notch sensitivity in GLARE-3 was highest in the fiber direction, and it decreased with increasing fiber orientation angle to the lowest in the 45° direction. A new multiaxial criterion for the tensile failure of notched orthotropic fiber composites was developed from a phenomenological point of view. From the proposed multiaxial failure criterion, an anisotropic size effect law for predicting the off-axis notched strength of orthotropic composite laminates was derived. By comparison with the experimental results on GLARE-3, it was demonstrated that the anisotropic size effect law can accurately and efficiently predict the off-axis notched strength of GLARE-3, regardless of the notch size and fiber orientation.     

含纤维波纹缺陷复合材料层合板的损伤分析

纤维波纹是复合材料层合板制备过程中的一种常见缺陷,会导致其刚度和强度显著下降,有效地预测含波纹缺陷复合材料层合板的失效强度具有显著的意义。基于此,本文采用解析的方式分别构造了纤维波纹呈正弦起伏与余弦起伏状的复合材料层合板模型。利用该模型,以Tsai-Wu准则作为失效判据,研究了一种含纤维波纹的碳纤维/环氧树脂复合材料层合板在受压情况下的损伤演化过程,得到了碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的初始损伤强度。与有限元方法计算得到的损伤位置和损伤强度非常吻合,验证了本文算法的正确性。另外,相比于有限元方法,本文所述计算方法具有模型构造简单、计算效率高等优点,便于快速分析和确定含纤维波纹缺陷复合材料层合板的损伤位置与损伤强度。      

复合材料层合板阶梯形挖补胶接修理渐进损伤分析

建立了复合材料层合板阶梯形挖补胶接修理构型的渐进损伤分析三维有限元模型, 同时考虑了复合材料母板、 补片和胶层的损伤扩展以及它们之间的相互影响。层合板采用含正交各向异性损伤的连续介质损伤力学(CDM)本构方程进行描述, 材料积分点处的损伤状态采用二阶张量形式的内部状态变量表征。胶层采用含各向同性损伤的CDM本构方程进行描述, 材料积分点处的损伤状态采用常数形式的损伤变量表示。计算结果与试验数据符合较好, 说明该模型可较好预测挖补胶接修理的复合材料层合板拉伸强度及其失效模式。     

Glass/Epoxy复合材料叠层板面内剪切连续损伤模型

为确定S2玻璃纤维/环氧树脂(S2-Glass/Epoxy) 叠层复合材料面内剪切应力-应变关系,对S2-Glass/Epoxy 叠层复合材料面内剪切拉伸载荷下的弹、塑性连续损伤本构模型及应用进行了研究。基于平面应力状态下的连续损伤力学模型,通过典型面内剪切拉伸实验,分别建立了忽略塑性应变和考虑塑性应变的两种连续损伤力学(CDM)模型,并确定相关参数。通过ABAQUS/Explicit 用户子程序VUMAT接口,分别采用两种CDM模型对S2-Glass/Epoxy 叠层复合材料面内剪切拉伸实验进行有限元数值计算,与实验结果对比,验证模型可靠性,并分析单元类型对有限元计算结果的影响。研究结果表明: 忽略塑性应变的CDM模型可以很好地预测复合材料面内剪切失效强度,但不能较好地预测其非线性力学响应; 考虑塑性应变,将塑性硬化与损伤耦合后的CDM模型则能较好的预测复合材料非线性力学响应和面内剪切失效强度; 该平面应力状态下建立的CDM模型可用于壳单元进行复合材料有限元数值计算,横向剪切作用导致传统壳单元数值计算的载荷位移曲线略低于平面应力单元计算结果; 减缩积分算法有利于提高有限元数值计算结果的准确性。     

基于ANSYS环境的平面编织层合板拉伸破坏数值仿真

以ANSYS为平台编制了具有可移植性的APDL程序, 建立了损伤累积模型, 对平面编织层合板的损伤破坏行为进行了数值仿真。该模型对适合于单向铺层的Hanshin判据和Reddy刚度衰减方法进行了相应的修正。为验证模型的有效性, 对G803/5224平面编织光滑板、 孔板进行了相应的试验研究。结果表明, 该模型仿真结果与试验结果吻合, 并且比较简单直观, 为平面编织层合板的损伤扩展与破坏的研究提供了便于工程应用的数字化手段。      

含雷击热-力耦合损伤复合材料层压板拉伸剩余强度预测

为了对含雷击热-力耦合损伤复合材料层压板的剩余强度进行预测,基于连续介质损伤力学法(CDM)和唯象分析法,建立了表征复合材料雷击热-力耦合损伤的刚度矩阵渐进损伤退化模型。基于该模型,通过ABAQUS有限元仿真软件,建立了含雷击热-力耦合损伤的复合材料层压板结构三维模型。结合UMAT子程序,完成了拉伸载荷下的剩余强度预测。结果表明:通过与试验对比,仿真结果与试验结果取得了良好的一致性。本文所建立模型,能够有效进行含雷击热-力耦合损伤复合材料层压板结构拉伸剩余强度预测。