考慮界面相的復(fù)合材料宏-細(xì)觀漸進(jìn)損傷解析模型研究.pdf

1、碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料的剛度、強(qiáng)度等宏觀力學(xué)性能均是由其細(xì)觀組分結(jié)構(gòu)與性能決定的,為了充分發(fā)揮復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性優(yōu)勢(shì),從細(xì)觀材料組分層面來揭示宏觀力學(xué)性能的本質(zhì)是十分必要的。在此需求下,宏-細(xì)觀協(xié)同分析力學(xué)模型的研究成為了熱點(diǎn)。人們不斷地深入了解復(fù)合材料細(xì)觀結(jié)構(gòu)與性能的同時(shí),那些能夠和宏觀力學(xué)分析方法很好相結(jié)合的細(xì)觀力學(xué)模型也在迅速地發(fā)展,其中通用單胞方法(GMC)就是頗具代表性,有限容積直接平均細(xì)觀力學(xué)方法(FVDAM)則是目前處于

2、發(fā)展階段并且頗具潛力的細(xì)觀力學(xué)方法。這兩種方法都是半解析的形式,所以比較容易同現(xiàn)有的商業(yè)有限元軟件相結(jié)合來構(gòu)建宏-細(xì)觀分析模型。
　　本文分別以GMC和FVDAM這兩種細(xì)觀力學(xué)方法為基礎(chǔ),面向復(fù)合材料的不同層面提出了具有普適性的宏-細(xì)觀漸進(jìn)損傷解析模型。本文模型突破了傳統(tǒng)宏-細(xì)觀模型計(jì)算效率的瓶頸,并且可以更加細(xì)致地考慮細(xì)觀組分的結(jié)構(gòu)、缺陷及損傷。利用本文提出的模型,研究了單向板的材料常數(shù)、單向板橫向拉伸/壓縮性能、層合板強(qiáng)度和層

3、合板釘連結(jié)構(gòu)的擠壓性能,從細(xì)觀纖維、基體和界面相組分的層面揭示了細(xì)觀組分性能與結(jié)構(gòu)對(duì)宏觀力學(xué)性能的影響規(guī)律。本文主要工作內(nèi)容如下:
　　(1)基于GMC和FVDAM細(xì)觀力學(xué)方法,考慮不同的纖維分布,構(gòu)建了包含細(xì)觀組分(纖維、界面和基體)的代表性體積單元解析模型。研究了纖維分布和界面相性能對(duì)宏觀彈性常數(shù)預(yù)報(bào)的影響,通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,驗(yàn)證了本文模型的合理性與高精度;從細(xì)觀組分應(yīng)力和損傷的角度(例如基體、界面相的應(yīng)力狀態(tài))揭示了單向板

4、橫向拉伸/壓縮的破壞機(jī)理及損傷模式,最終指出GMC和FVDAM這兩種細(xì)觀力學(xué)方法在預(yù)報(bào)單向板橫向拉伸/壓縮的失效行為方面的優(yōu)勢(shì)與不足。
　　(2)將本文提出解析模型與經(jīng)典層合板理論相結(jié)合,進(jìn)一步提出了宏-細(xì)觀層合板強(qiáng)度預(yù)報(bào)解析模型,研究了不同基體組分失效準(zhǔn)則(Max-strain、Max-stress、Tsai-Hill和Tsai-Wu)對(duì)雙軸載荷下層合板(含單向板)強(qiáng)度譜預(yù)報(bào)的影響。應(yīng)用本文的預(yù)報(bào)模型分析了“World-Wide

5、FailureExercise(WWFE)”中層合板強(qiáng)度預(yù)報(bào)的全部算例,包括四種材料體系、五種鋪層類型、指定載荷下應(yīng)力-應(yīng)變曲線等方面。通過與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)本文的強(qiáng)度預(yù)報(bào)模型有著較廣的適用范圍和較高的預(yù)測(cè)精度。
　　(3)將本文的宏-細(xì)觀解析模型通過Abaqus用戶自定義子程序USDFLD與有限元相結(jié)合,構(gòu)建了基于細(xì)觀組分失效判斷的宏-細(xì)觀強(qiáng)度預(yù)報(bào)模型。應(yīng)用該模型對(duì)層合板連接結(jié)構(gòu)的單釘雙剪擠壓破壞行為進(jìn)行了研究,預(yù)報(bào)了三種典型的