纖維增強復合材料層合結構沖擊損傷預測研究.pdf

1、汽車制造業(yè)不斷發(fā)展新材料和新技術以適應汽車輕量化設計的要求.具有比強度大、比剛度和比吸能高等優(yōu)點的纖維增強樹脂基復合材料在汽車輕量化耐撞性結構設計(保險杠、前縱梁)中得到了越來越廣泛地關注.在低速沖擊作用下復合材料結構與傳統(tǒng)金屬結構的能量吸收和損傷破壞機理存在很大的差異,而且非常復雜.由于影響因素眾多,盡管目前有許多預測復合材料低速沖擊作用下的損傷和響應過程的計算模型,但仍然存在以下問題:纖維增強樹脂基復合材料在沖擊作用下將產(chǎn)生各種形式

2、的損傷,如基體開裂、層間脫層和纖維斷裂等,并且各種損傷相互作用.基于強度理論的預測模型不能很好地預測各種損傷的產(chǎn)生與擴展過程.因此需要建立描述各種損傷的力學模型,提出有效、可靠的適用于工程應用的數(shù)值預測方法,對復合材料結構的沖擊響應和損傷問題作進一步深入系統(tǒng)的研究.因而,研究和建立一套有效的纖維增強樹脂基復合材料結構的耐撞性數(shù)值仿真分析模型具有重大的意義和應用價值. 本文在充分吸收國內外樹脂基纖維增強復合材料結構沖擊作用下響應和

3、損傷破壞機制的理論和實驗研究基礎上,針對沖擊作用下復合材料結構內部產(chǎn)生的各種損傷模式,將其分為層內和層間兩類損傷,并提出了一個有效的層合結構力學模型:將層合結構作為復合材料子層結構和界面層結構通過粘接裝配而成.在此基礎上,基于粘接域理論建立了界面層脫層損傷產(chǎn)生與擴展的分析模型;基于連續(xù)介質損傷力學建立了復合材料單層板層內各種損傷產(chǎn)生與擴展的分析模型.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測纖維增

4、強樹脂復合材料層合結構沖擊作用下層內和層間損傷及變形機理的有限元分析模型.主要創(chuàng)新性研究工作如下: (1)纖維增強復合材料層合結構脫層損傷分析模型建立針對纖維增強樹脂基復合材料層合結構沖擊作用下產(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模擬復合材料層合結構中產(chǎn)生脫層處的界面層;基于粘接域(Cohesive zone)理論,建立了統(tǒng)一的預測界面層脫層損傷行為的數(shù)學模型,采用損傷力學理論和斷裂力學理論相結合的方法來模擬脫層

5、損傷產(chǎn)生與擴展的整個過程,基于預測.修正的方法推導了該模型的數(shù)值算法,建立了預測層間脫層損傷產(chǎn)生與擴展的數(shù)值模型,并通過ABAQUS/Explicit的材料本構模型用戶子程序接口實現(xiàn).進行了單一開裂模式、混合開裂模式和低速沖擊作用下碳/環(huán)氧復合材料層合結構(T300/914)脫層損傷產(chǎn)生與擴展的預測分析,驗證了脫層損傷預測模型的正確性. (2)基于連續(xù)介質損傷力學的復合材料單層板損傷本構模型建立針對復合材料結構的層內損傷,建立了

6、考慮了各種層內損傷的單層板本構模型.該模型基于連續(xù)介質損傷力學理論,引入了三個損傷變量分別用于描述層內的纖維斷裂、基體開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對損傷的影響;基于應變加法分解的假設,考慮了復合材料基體與剪切方向的非彈性應變;在熱力學第二定律框架下推導了該本構模型的狀態(tài)方程;基于各向異性塑性力學理論,建立了考慮損傷耦合情況下非彈性應變的硬化方程;基于損傷力學理論建立了各損傷變量的損傷演化方程.基于預測-修正的方

7、法推導了該本構模型的數(shù)值算法,通過顯式有限元程序ABAQUS/Explicit的材料本構模型用戶子程序接口實現(xiàn).通過標準的復合材料力學試驗,建立了一具體織物型玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料的損傷本構模型,驗證了所建立模型的正確性,并為該復合材料層合結構沖擊作用下?lián)p傷預測分析提供了材料參數(shù). (3)復合材料層合結構沖擊作用下層內損傷與層間損傷預測分析基于層合結構力學模型,建立了預測層內和層間損傷產(chǎn)生與擴展的有限元模型.通過標準的復

8、合材料斷裂力學試驗,確定了脫層損傷分析模型中的材料特性參數(shù).進行了兩種不同鋪層方式的織物型玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料條形層合板的落錘在不同高度下的沖擊試驗和相同條件下的復合材料結構受沖擊的數(shù)值仿真分析,驗證了模型的正確性.在此基礎上進行了汽車典型復雜結構-保險杠橫梁在不同沖擊速度下的結構損傷與響應的預測仿真分析. 本論文在充分吸收和借鑒前人成果的基礎上,對纖維增強樹脂基復合材料層合結構在沖擊作用下結構響應和損傷預測的數(shù)值模型