纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)沖擊損傷預(yù)測(cè)研究.pdf

1、汽車(chē)制造業(yè)不斷發(fā)展新材料和新技術(shù)以適應(yīng)汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)的要求.具有比強(qiáng)度大、比剛度和比吸能高等優(yōu)點(diǎn)的纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料在汽車(chē)輕量化耐撞性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(保險(xiǎn)杠、前縱梁)中得到了越來(lái)越廣泛地關(guān)注.在低速?zèng)_擊作用下復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)的能量吸收和損傷破壞機(jī)理存在很大的差異,而且非常復(fù)雜.由于影響因素眾多,盡管目前有許多預(yù)測(cè)復(fù)合材料低速?zèng)_擊作用下的損傷和響應(yīng)過(guò)程的計(jì)算模型,但仍然存在以下問(wèn)題:纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料在沖擊作用下將產(chǎn)生各種形式

2、的損傷,如基體開(kāi)裂、層間脫層和纖維斷裂等,并且各種損傷相互作用.基于強(qiáng)度理論的預(yù)測(cè)模型不能很好地預(yù)測(cè)各種損傷的產(chǎn)生與擴(kuò)展過(guò)程.因此需要建立描述各種損傷的力學(xué)模型,提出有效、可靠的適用于工程應(yīng)用的數(shù)值預(yù)測(cè)方法,對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的沖擊響應(yīng)和損傷問(wèn)題作進(jìn)一步深入系統(tǒng)的研究.因而,研究和建立一套有效的纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的耐撞性數(shù)值仿真分析模型具有重大的意義和應(yīng)用價(jià)值. 本文在充分吸收國(guó)內(nèi)外樹(shù)脂基纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)沖擊作用下響應(yīng)和

3、損傷破壞機(jī)制的理論和實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上,針對(duì)沖擊作用下復(fù)合材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生的各種損傷模式,將其分為層內(nèi)和層間兩類(lèi)損傷,并提出了一個(gè)有效的層合結(jié)構(gòu)力學(xué)模型:將層合結(jié)構(gòu)作為復(fù)合材料子層結(jié)構(gòu)和界面層結(jié)構(gòu)通過(guò)粘接裝配而成.在此基礎(chǔ)上,基于粘接域理論建立了界面層脫層損傷產(chǎn)生與擴(kuò)展的分析模型;基于連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)建立了復(fù)合材料單層板層內(nèi)各種損傷產(chǎn)生與擴(kuò)展的分析模型.最后,基于顯式有限元程序ABAQUS/Explicit,建立了適合于工程需要的預(yù)測(cè)纖維增

4、強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)沖擊作用下層內(nèi)和層間損傷及變形機(jī)理的有限元分析模型.主要?jiǎng)?chuàng)新性研究工作如下: (1)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)脫層損傷分析模型建立針對(duì)纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)沖擊作用下產(chǎn)生的脫層損傷這一基本的損傷形式,采用三維界面單元來(lái)模擬復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生脫層處的界面層;基于粘接域(Cohesive zone)理論,建立了統(tǒng)一的預(yù)測(cè)界面層脫層損傷行為的數(shù)學(xué)模型,采用損傷力學(xué)理論和斷裂力學(xué)理論相結(jié)合的方法來(lái)模擬脫層

5、損傷產(chǎn)生與擴(kuò)展的整個(gè)過(guò)程,基于預(yù)測(cè).修正的方法推導(dǎo)了該模型的數(shù)值算法,建立了預(yù)測(cè)層間脫層損傷產(chǎn)生與擴(kuò)展的數(shù)值模型,并通過(guò)ABAQUS/Explicit的材料本構(gòu)模型用戶子程序接口實(shí)現(xiàn).進(jìn)行了單一開(kāi)裂模式、混合開(kāi)裂模式和低速?zèng)_擊作用下碳/環(huán)氧復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)(T300/914)脫層損傷產(chǎn)生與擴(kuò)展的預(yù)測(cè)分析,驗(yàn)證了脫層損傷預(yù)測(cè)模型的正確性. (2)基于連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)的復(fù)合材料單層板損傷本構(gòu)模型建立針對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的層內(nèi)損傷,建立了

6、考慮了各種層內(nèi)損傷的單層板本構(gòu)模型.該模型基于連續(xù)介質(zhì)損傷力學(xué)理論,引入了三個(gè)損傷變量分別用于描述層內(nèi)的纖維斷裂、基體開(kāi)裂和纖維和基體界面脫粘損傷模式,并考慮了裂紋閉合效應(yīng)對(duì)損傷的影響;基于應(yīng)變加法分解的假設(shè),考慮了復(fù)合材料基體與剪切方向的非彈性應(yīng)變;在熱力學(xué)第二定律框架下推導(dǎo)了該本構(gòu)模型的狀態(tài)方程;基于各向異性塑性力學(xué)理論,建立了考慮損傷耦合情況下非彈性應(yīng)變的硬化方程;基于損傷力學(xué)理論建立了各損傷變量的損傷演化方程.基于預(yù)測(cè)-修正的方

7、法推導(dǎo)了該本構(gòu)模型的數(shù)值算法,通過(guò)顯式有限元程序ABAQUS/Explicit的材料本構(gòu)模型用戶子程序接口實(shí)現(xiàn).通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)合材料力學(xué)試驗(yàn),建立了一具體織物型玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的損傷本構(gòu)模型,驗(yàn)證了所建立模型的正確性,并為該復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)沖擊作用下?lián)p傷預(yù)測(cè)分析提供了材料參數(shù). (3)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)沖擊作用下層內(nèi)損傷與層間損傷預(yù)測(cè)分析基于層合結(jié)構(gòu)力學(xué)模型,建立了預(yù)測(cè)層內(nèi)和層間損傷產(chǎn)生與擴(kuò)展的有限元模型.通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)

8、合材料斷裂力學(xué)試驗(yàn),確定了脫層損傷分析模型中的材料特性參數(shù).進(jìn)行了兩種不同鋪層方式的織物型玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料條形層合板的落錘在不同高度下的沖擊試驗(yàn)和相同條件下的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)受沖擊的數(shù)值仿真分析,驗(yàn)證了模型的正確性.在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了汽車(chē)典型復(fù)雜結(jié)構(gòu)-保險(xiǎn)杠橫梁在不同沖擊速度下的結(jié)構(gòu)損傷與響應(yīng)的預(yù)測(cè)仿真分析. 本論文在充分吸收和借鑒前人成果的基礎(chǔ)上,對(duì)纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)在沖擊作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)和損傷預(yù)測(cè)的數(shù)值模型