基于弹塑性损伤本构模型的复合材料层合板破坏荷载预测

在连续损伤力学和塑性力学框架内,建立一个同时考虑塑性效应和损伤累积导致材料属性退化的复合材料弹塑性损伤本构模型。基于最近点投影回映算法,开发本构模型的应变驱动隐式积分算法以更新应力及与解答相关的状态变量,并推导与所开发算法相应的数值一致性切线刚度矩阵,保证有限元分析采用NewtonRaphson迭代法解答非线性问题的计算效率。采用断裂带模型对已开发的本构模型软化段进行规则化,以减轻有限元分析结果的网格相关性问题。对损伤变量进行粘滞规则化,并推导出相应的粘滞规则化数值一致性切线刚度张量,解决了在有限元隐式计算程序中采用含应变软化段本构关系的数值分析由于计算困难而提前终止的问题。开发包含数值积分算法的用户材料子程序UMAT,并嵌于有限元程序Abaqus v6.14中。通过对力学行为展现显著塑性效应的AS4/3501-6V型开口复合材料层合板的渐进失效分析,验证本文提出的材料本构模型的有效性。结果显示,预测结果与已报道的试验结果吻合良好,并且预测精度高于其他已有弹性损伤模型。表明已建立的弹塑性损伤本构模型能够准确预测力学行为,展现显著塑性效应的复合材料层合板的破坏荷载,为其构件和结构设计提供一种有效的分析方法。     

复合材料层合板缺口强度的CDM三维数值模型

针对复合材料层合结构缺口强度问题,基于连续损伤力学（CDM）提出了一种三维损伤数值模型。模型区分了层内损伤（纤维失效、纤维间失效）和层间分层损伤的不同失效模式。采用三维Puck准则与Aymerich准则对上述2类损伤进行判定,材料失效后基于CDM中线性软化模型对材料损伤进行演化。模型考虑了复合材料层合板子层的就位效应和剪切非线性行为。对Carlsson的AS4/3501-6缺口拉伸强度试验进行数值模拟。结果表明:分析结果与试验结果吻合良好,证明了该模型能够准确地预测含缺口复合材料层合板面内拉伸强度。      

基于Puck理论的复合材料层合板横向剪切失效分析

针对复合材料层合板三维失效分析问题,建立了一种基于Puck失效准则的分析模型。针对Puck失效理论中的基体失效,分别采用遍历法和分区黄金分割法（PGSS）的一维搜索算法预测了不同应力状态下基体失效的断裂面角度,并对比分析了两种算法的计算精度和计算效率。研究表明,PGSS具有较高的搜索精度和搜索效率。在ABAQUS有限元分析平台下,编写了基于Puck失效准则的VUMAT显式用户自定义材料子程序,对复合材料层合板横向（G₂₃）剪切性能进行了数值预测和渐进失效分析,并与试验载荷-位移曲线、DIC测得的应变场及破坏模式进行了对比。分析结果表明:当前的分析模型能较好地预测复合材料层合板G₂₃剪切试验的力学响应和破坏模式。      

基于率相关三维弹塑性损伤模型的复合材料渐进失效分析

建立了一个同时考虑复合材料非线性力学响应、应变率效应和损伤累积导致材料属性退化的弹塑性三维损伤本构模型。采用改进的塑性力学模型表征材料在动态荷载下的非线性力学行为。为准确预测复合材料在动态荷载下的弹塑性力学响应,引入了率相关放大系数对准静态下的塑性强化函数进行修正。采用“断裂带模型”对已开发的本构模型软化段进行规则化,以减轻有限元分析结果的网格敏感性。采用分区反抛物线插值法对基体损伤初始断裂面角度及纤维扭结/劈裂平面角度进行求解。开发包含数值积分算法的用户材料自定义子程序VUMAT,并嵌于有限元程序ABAQUS V6.14中,对力学行为展现显著非线性力学效应和应变率效应的IM7/8552碳纤维/环氧树脂复合材料层合板进行了渐进失效分析,验证本文提出的材料本构模型的有效性。结果显示,预测结果与已报道的试验结果吻合良好,表明已建立的率相关三维弹塑性损伤本构模型能准确预测此类复合材料层合板的在动态荷载下的力学行为,为复合材料构件及其结构设计提供了一种有效的分析方法。     

基于三维Puck失效准则及唯象模量退化的复合材料臂杆屈曲分析

针对碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）臂杆结构在压缩和扭转载荷条件下屈曲与后屈曲问题,采用三维Puck失效准则和基于唯象分析的模量退化方法,同时考虑层合结构就位效应及沿纤维方向应力对横向强度的影响,建立了一种适用于考虑渐进失效CFRP结构的屈曲分析方法,并通过编写有限元软件ANSYS的USERMAT子程序进行了数值实现。与文献中实验结果的对比表明,上述方法能够分析复合材料结构的渐进失效过程和后屈曲承载特性,预测精度高。进而采用此方法,详细分析了某航天器臂杆结构在承受压缩与扭转载荷条件下的屈曲载荷及后屈曲特性。      

针刺C/C-SiC复合材料剪切非线性本构关系

为研究针刺C/C-SiC复合材料的剪切损伤行为,首先,进行了面内剪切加卸载实验,并利用SEM对复合材料的剪切破坏形貌进行了观测;然后,建立了一种塑性与损伤相结合的非线性本构模型描述复合材料的非线性力学行为,以幂函数描述等效塑性应变与等效应力的关系;最后,基于剪切强度的Weibull分布规律提出了一种指数型损伤变量表征剪切刚度的退化,并通过实验数据拟合得到模型中的参数。结果表明:复合材料在卸载后存在明显的残余应变,卸载模量随载荷的增加不断降低,表现出明显的剪切非线性特征;大量无纬布纤维束和纤维单丝拔出,且易在针刺部位发生破坏;由于针刺部位等缺陷的不规律分布,剪切强度存在一定的分散性,符合指数型Weibull统计分布规律;复合材料的剪切非线性主要由基体开裂和纤维/基体界面脱粘等内部损伤引起,从宏观上可以解释为塑性变形和刚度性能折减。所得结论表明本构模型能够很好地表征C/C-SiC复合材料的面内剪切非线性行为。      

大振幅剪切振动下聚合物复合材料的非线性动力学

在大振幅剪切振动下的CaCO3/PP熔体中,存在填充粒子贯穿基体形成的复合网络、填料粒子团聚体和纯基体微流区3种相畴,假定它们的力学行为分别可以用Kelvin微元和塑性屈服元及Maxwell微元描述,则可以建立唯象本构模型,文中用它解释了Yeh和Jyun的实验结果,填充比增大,屈服应力增加;表面处理改善了两相的相容性,团聚体更易破碎,屈服应力减小,应力波出现“平顶”现象。     

三维复合材料层合板渐进损伤非线性分析模型

为有效反映复合材料层合板层间相互作用和材料损伤非线性,建立了中等尺度的三维复合材料层合板渐进损伤分析模型。非线性渐进损伤分析过程包括应力求解、材料损伤失效判据及材料性能退化方案3个方面。讨论了损伤材料性能退化方案,引入与材料损伤模式相对应的损伤变量表征材料点的损伤状态,材料的刚度矩阵按损伤变量退化。基于该模型可成功预测复合材料层合板损伤起始、扩展直至最终失效的整个过程和极限强度。经文献试验数据验证,12种不同铺层顺序层合板的计算强度与试验数据均吻合较好,表明该模型在复合材料层合板极限强度预测上的有效性。     

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。      

复合材料层合板剪切稳定性试验及强度预测

对无损伤及含冲击损伤的复合材料层合板进行了剪切稳定性试验,基于数字图像相关方法 (Digital image correlation,DIC)对层合板屈曲后屈曲行为进行了实时测量。试验结果表明：引入冲击损伤后,复合材料层合板剪切屈曲波形、屈曲载荷无明显变化,失效模式转变,承载能力下降了9.69%。随后,基于断裂面失效理论,建立了考虑剪切非线性效应的复合材料渐进损伤失效模型,并对复合材料层合板剪切失效过程进行了模拟。模型采用软化夹杂法将冲击损伤等效简化,直接将损伤区的几何边界信息写入材料模型中,不需要对冲击损伤区进行切割,从而保证了整体网格质量。与试验结果对比发现：模型考虑剪切非线性对屈曲载荷预测无明显影响,对后屈曲承载能力的预测精度影响较大,不考虑剪切非线性效应时的误差可达20%以上;软化夹杂法可以有效地模拟冲击损伤,预测的含冲击损伤的复合材料层合板的屈曲载荷、破坏载荷误差分别为-3.17%、-1.27%。     

Impact damage detection in composite laminates using nonlinear acoustics

The paper demonstrates the application of nonlinear acoustics for impact damage detection in composite laminates. A composite plate is monitored for damage resulting from a low-velocity impact. The plate is instrumented with bonded low-profile piezoceramic transducers. A high-frequency acoustic wave is introduced to one transducer and picked up by a different transducer. A low-frequency flexural modal excitation is introduced to the plate at the same time using an electromagnetic shaker. The damage induced by impact is exhibited in a power spectrum of the acoustic response by a pattern of sidebands around the main acoustic harmonic. The results show that the amplitude of sidebands is related to the severity of damage. The study investigates also the effect of boundary conditions on the results.     

复合材料三维损伤模型在大开口结构强度预测中的应用

为了预测复合材料大开口结构的强度及损伤扩展情况,开展了3种不同复合材料三维损伤退化模型(瞬间退化模型、渐进损伤退化模型和连续损伤退化模型)在复合材料大开口结构强度预测中的应用研究,完成了含口框加强件的复合材料大开口结构面内纯剪切试验,并采用3种损伤退化模型对试验件及相关文献算例进行了数值模拟。数值模拟结果与试验结果的对比表明:3种损伤退化模型均可以较为精确地预测复合材料大开口结构的极限强度;与其他模型相比,连续损伤退化模型的预测精度最高、通用性最好且网格依赖度最低。研究结果为复合材料大开口结构力学性能的研究提供了理论指导。     

基于断裂韧性预报复合材料层合板的开孔拉伸强度

开孔层合板的强度预报往往取决于孔边的临界长度,它不仅与材料性能,而且与铺层、孔径都有关。本文基于线弹性断裂力学,提出了一种预报对称铺层层合板开孔拉伸强度的新方法,只需提供正交层合板的断裂韧性和无缺口层合板的拉伸强度,显著降低对实验数据的依赖性。首先,将临界长度表作为层合板断裂韧性和无缺口拉伸强度的函数,再通过正交层合板[90/0]_8s的紧凑拉伸试验和虚拟裂纹闭合技术,确定出0°层断裂韧性,进而计算得到任意对称铺层层合板的断裂韧性。本文测试了T300/7901层合板[0/±45/90]_2s和[0/±30/±60/90]_s的开孔拉伸强度,孔径分别为3 mm、6 mm和9 mm。理论预报结果与试验值吻合较好,最大误差为15.2%,满足工程应用需求。      

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。      

A discrete constitutive model for transverse and shear damage of symmetric laminates with arbitrary stacking sequence

A damage constitutive model in conjunction with a 2-D finite element discretization is presented for predicting onset and evolution of matrix cracking and subsequent stiffness reduction of symmetric composite laminates with arbitrary stacking sequence subjected to membrane loads. The formulation uses laminae crack densities as the only state variables, with crack growth driven by both mechanical stress and residual stress due to thermal expansion. The formulation is based on fracture mechanics in terms of basic materials properties, lamina moduli, and critical strain energy release rates G_IC and G_IIC, only. No additional adjustable parameters are needed to predict the damage evolution. Spurious strain localization and mesh size dependence are intrinsically absent in this formulation. Thus, there is no need to define a characteristic length. Comparison of model results to experimental data is presented for various laminate stacking sequences. Prediction of crack initiation, evolution, and stiffness degradation compare very well to experimental data.     

缝合复合材料层板三维纤维弯曲模型及压缩强度预报

提出了三维纤维弯曲模型, 基于有限元法和周期性边界条件建立了缝合层板压缩强度分析方法, 采用桥联模型和最大应力判据分析损伤扩展并获得压缩强度, 预报结果与试验吻合较好。详细探讨了缝合参数对层合板压缩强度的影响规律, 结果表明: 缝合方向与表面纤维方向一致时, 较小的缝合针距和行距、较大的缝合线半径对压缩强度较为有利; 缝合方向与表面纤维方向垂直时, 较小的缝合针距和缝合线半径、较大的缝合行距对压缩强度较为有利。      

考虑三维应力的复合材料层压板疲劳寿命分析

由于层间应力的存在,受面内载荷作用的复合材料层压板实际处于多轴应力状态。构建了由刚性元、弹簧元和二维板元构成的准三维有限元模型,结合单向板在典型应力状态下的疲劳试验结果和疲劳损伤模型,发展了一种考虑三维应力的、预测任意铺层多向层压板疲劳寿命的分析方法,包括应力分析、静力和疲劳累积损伤失效分析及材料性能退化3个主要部分,能够模拟面内和层间损伤产生、发展直至层压板整体破坏的完整过程,并得到疲劳寿命。对2种T300/QY8911多向铺层板进行了实际计算,寿命预测结果与试验结果吻合较好。      

Failure load prediction of laminates repaired with a scarf-bonded patch using the damage zone method

The damage zone method (DZM) is an efficient way to predict the failure of composite structures with a minimum of real testing. Particularly, it is useful when the failure mechanism is too complicated to be accurately analyzed by a merely numerical method. The aim of this study was to use the damage zone model to predict the failure load of repaired laminates, in which scarf-bonded joints were used for repair. The model uses a test-based critical damage zone and stress-based failure criteria. A total of 45 carbon-epoxy composite (USN) laminate scarf-repaired specimens were first tested with two different defect sizes, four scarf angles, and three overlap layer sizes. The Tsai-Wu and Tsai-Hill criteria were used for the laminate, and the maximum shear stress criterion for the adhesive was adopted to predict failure onset. The predicted failure loads were compared to test results and a good agreement was obtained with a 9.2% maximum deviation for almost all parameters with the exception of a case with an unrealistically large scarf angle. To verify the feasibility of the DZM for different material, additional 30 repair specimens using other unidirectional carbon-epoxy laminate were then also tested and the predictions were confirmed by the results of the experiment.