复合材料层板的分层扩展三维有限元分析

论文摘要

纤维增强复合材料在许多重要结构中得到了应用,比强度高、比刚度大和材料性能可设计的特点,使纤维增强复合材料成为最具有发展前途的新型结构材料之一。但是层合复合材料的层间性能低,严重的制约了该种材料的广泛应用。分层是层合复合材料破坏的主要形式,如何提高层合复合材料的层间韧性和抗分层能力已经成为各国学者关注的焦点。因此,复合材料层合板分层扩展的有限元分析具有重要的理论意义和应用价值。本文建立了含埋藏分层损伤复合材料层合板的三维有限元模型。在考虑几何非线性和接触非线性的情况下,利用非线性有限元方法,采用混杂模式下通用裂纹扩展准则,结合虚拟裂纹闭合技术分析了损伤复合材料层合板的分层扩展过程。使用离散裂纹模型对含埋藏分层复合材料层合板进行建模,在分层界面使用节点双编号的方法,事先将双节点进行耦合处理,采用节点分离法模拟分层的动态扩展。在计算过程中首先计算分层前缘沿角度分布的能量释放率,当某个节点的能量释放率达到分层扩展水平时,解除该节点的耦合,并引入短纤维桥联力。采用一种非线性弹簧单元模拟层间短纤维,通过改变弹簧刚度修正短纤维桥联力,避免了复杂的迭代计算过程。为了减少计算量和增强非线性模型的收敛性,采用了GAP元方法处理接触问题,用来模拟材料的不可穿透性。采用三维非线性有限元方法,研究了层间短纤维增韧复合材料层合板的分层扩展过程,并与不存在层间短纤维的复合材料层合板进行了对比。结果表明,层间短纤维的作用明显,有效的提高了层间韧性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 研究现状
• 1.3 本文主要工作
• 第2章 基本理论
• 2.1 非线性几何方程
• 2.1.1 全量形式的非线性几何方程
• 2.1.2 增量形式的非线性几何方程
• 2.2 接触非线性
• 2.3 本构关系
• 2.3.1 全量形式的本构关系
• 2.3.2 弹性系数阵的坐标变换
• 2.3.3 增量形式的本构关系
• 2.4 非线性有限元方程
• 2.4.1 单元位移函数
• 2.4.2 非线性平衡方程的求解方法
• 2.5 屈曲特征方程
• 2.6 本章小节
• 第3章 复合材料层合板的分层扩展模拟
• 3.1 引言
• 3.2 能量释放率
• 3.3 可行性验证
• 3.3.1 能量释放率与网格的验证
• 3.3.2 非线性验证
• 3.3.3 后屈曲路径
• 3.4 复合材料层合板分层前缘能量释放率的计算
• 3.4.1 复合材料分层前缘能量释放率的计算流程
• 3.4.2 三维有限元网格的划分
• 3.4.3 接触问题
• 3.4.4 算例与结果讨论
• 3.4.5 接触对能量释放率的影响
• 3.5 复合材料层合板分层扩展的模拟
• 3.5.1 分层扩展的判据
• 3.5.2 层合板分层扩展的程序流程
• 3.5.3 算例与结果讨论
• 3.6 本章小节
• 第4章 层间含短纤维复合材料层合板分层扩展研究
• 4.1 引言
• 4.2 层间短纤维的模型建立
• 4.3 层间短纤维对能量释放率的影响
• 4.4 层间短纤维对分层扩展的影响
• 4.4.1 桥联应力对分层扩展的影响
• 4.4.2 能量释放率阈值提高对分层扩展的影响
• 4.5 本章小节
• 第5章 结论及展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢