弹塑性断裂过程与复合材料层板低速冲击损伤的数值模拟

论文摘要

本文的研究包括两部分内容：第一部将一种基于子结构和单元子划分思想的新型扩展有限元方法发展到可模拟弹塑性材料的断裂过程，并验证了其分析精度。第二部对复合材料层合板分层损伤模型进行了修正，数值研究了复合材料层合板低速冲击损伤过程。第一部分：1.在一种子结构和单元子划分方法的新型有限元框架下，基于ABAQUS/Standard用户子程序UEL平台，结合J2塑性流动法则和Newton-Raphson迭代格式，并引入弹塑性起裂准则和裂纹扩展准则，首次实现了弹塑性材料任意荷载下裂纹扩展过程的扩展有限元模拟。该方法绕过了传统扩展有限元方法构造裂纹尖端弹塑性高阶场基函数的困难，并可自然实现对粘弹性、大变形等其他非线性断裂的模拟。2.用上述发展的方法分析了无限大平板中心不同倾角裂纹的初始开裂角度；计算了有限宽度板裂尖小范围屈服下的应力强度因子；模拟了有限大平板中心裂纹和三点弯梁的弹塑性开裂过程。验证了本文方法的合理性与精度。第二部分：1.基于复合材料层合板损伤机理，对Choi-chang分层准则和界面粘聚区本构模型进行了修正，并将其嵌入ABAQUS/Explicit用户子程序VUMAT中。2.分别用上述两个模型模拟了复合材料层合板在低速冲击载荷下的损伤，通过同已有文献的结果对比，校验了本文模型的合理性与精度。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 图表清单
• 注释表
• 缩略词
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 裂纹扩展模拟的研究现状
• 1.2.1 模拟裂纹扩展的各类数值方法
• 1.2.2 利用扩展有限元研究裂纹问题的新进展
• 1.3 复合材料层合板低速冲击损伤概述
• 1.3.1 复合材料层合板的力学特性
• 1.3.2 复合材料低速冲击损伤数值模拟研究现状
• 1.4 本文的研究内容
• 第二章 模拟弹塑性断裂过程的一种有限元动态子划分方法
• 2.1 引言
• 2.2 弹塑性有限元基本理论与算法流程
• 2.2.1 弹塑性力学基本理论
• 2.2.2 完全隐式的应力更新过程与一致切线模量
• 2.3 单元子划分的理论研究
• 2.3.1 单元子划分方案
• 2.3.2 子结构的自由度凝聚
• 2.4 弹塑性断裂准则
• 2.5 裂纹扩展计算流程
• 2.6 有限元模拟与分析
• 2.6.1 裂尖小范围屈服下的应力强度因子
• 2.6.2 有限大板中心裂纹的扩展模拟
• 2.6.3 三点弯梁的弹塑性断裂过程
• 2.7 小结
• 第三章 复合材料层板低速冲击损伤研究
• 3.1 引言
• 3.2 复合材料损伤过程分析理论研究与有限元实施
• 3.2.1 损伤过程分析的理论研究
• 3.2.2 本文所采用的失效准则
• 3.2.3 渐进损伤分析的有限元实施
• 3.3 算例及分析
• 3.3.1 矩形板在低速冲击载荷下的损伤分析
• 3.3.2 圆板在低速冲击载荷下的损伤分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 总结与展望
• 4.1 全文总结
• 4.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及学术论文