復(fù)合材料層合板疲勞累積損傷數(shù)值模擬.pdf

1、疲勞失效是工程中常見的一種破壞形式。多數(shù)金屬材料的疲勞極限是拉伸強度的40％~50%,而碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料則可達90%，雖然復(fù)合材料的抗疲勞性能比金屬好，但是也避免不了疲勞問題。在分析復(fù)合材料層合板疲勞分層問題時也不能再用研究金屬材料疲勞裂紋擴展的方法。在復(fù)合材料層合板使用過程中，層間分層和界面脫粘是其中兩種常見的和起決定性作用的失效形式。由于分層常常發(fā)生在低應(yīng)力水平下的周期載荷，因此機械疲勞是引起復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分層損傷的最重要因素

2、。由于復(fù)合材料層合板往往具有非線性，經(jīng)典斷裂力學(xué)已經(jīng)無法滿足。同時復(fù)合材料由于其鋪層方式的多樣性，層合板厚度的影響，因此若是通過實驗方法來研究復(fù)合材料層合板疲勞分層擴展將會是一個耗時費力的事情。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，因此尋求有效的數(shù)值模擬技術(shù)，對復(fù)合材料層合板疲勞分層進行分析具有極大的工程意義。
　　本文將斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)相結(jié)合，利用數(shù)值模擬技術(shù)對復(fù)合材料層合板疲勞分層進行分析，同時對復(fù)合材料層合板疲勞壽命進行預(yù)報。首先介紹了單

3、調(diào)載荷下和疲勞周期載荷下離散內(nèi)聚力模型本構(gòu)關(guān)系。在單調(diào)載荷下，視內(nèi)聚力模型關(guān)系為雙線性關(guān)系。通過彈簧單元，建立了單調(diào)載荷下的靜態(tài)損傷演化形式。同時針對高周疲勞下，建立了指數(shù)形式的疲勞累積損傷演化模型。分析了在商業(yè)有限元軟件ABABQUS中的數(shù)值運用，利用子程序進行實現(xiàn)復(fù)合材料層合板的疲勞累積損傷模型，為后面分析復(fù)合材料層合板疲勞擴展奠定理論基礎(chǔ)。其次針對單調(diào)載荷下利用離散內(nèi)聚力模型，分析了復(fù)合材料層合板I、II和復(fù)合型斷裂分層擴展情況。

4、得到三種形式下的復(fù)合材料層合板分層演化過程，并和VCCT技術(shù)進行比較，驗證了離散內(nèi)聚力模型的有效性。同時就內(nèi)聚力模型參數(shù)彈簧單元模量和網(wǎng)格大小對離散內(nèi)聚力模型運用影響進行分析，得到離散內(nèi)聚力模型對這兩個參數(shù)的敏感性很小的結(jié)論。然后分析在高周疲勞載荷下復(fù)合材料層合板疲勞分層擴展情況。利用疲勞離散內(nèi)聚力模型對I型、II型和復(fù)合型裂紋擴展情況。得到三種形式下載荷加載初期時裂紋擴展速率。同時分析在四種載荷大小工況下的疲勞裂紋擴展速率和能量釋放率