低速冲击下层间短纤维增韧作用的有限元分析

论文摘要

纤维增强复合材料因其具有比强度高、比刚度大和材料性能可设计的特点,使得其在许多重要结构中得到了应用,并且成为最具有发展前途的新型结构材料之一。可是层合复合材料的层间性能低的特点严重的制约了该种材料的广泛应用,抗冲击性能差是其最致命的缺点,其破坏的主要形式是分层,因此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,研究冲击下复合材料层合板的有限元分析具有重要的理论价值和应用价值。本文以复合材料力学和断裂力学为基础,利用ABAQUS软件进行模拟,建立了小球冲击含浅埋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,采用混杂模式下通用裂纹扩展准则和虚拟裂纹闭合技术分析了复合材料层合板的分层行为。在球、板接触区和分层界面引入接触单元,通过一种非线性弹簧单元来模拟层间短纤维桥联作用,通过改变弹簧的拉伸刚度和剪切刚度来修正短纤维桥联力,避免了复杂的迭代计算过程。在计算过程中计算了分层前缘沿能量释放率分布,研究了不同冲击能量以及不同铺层角度的复合材料层板情况,分析了层间短纤维对能量释放率、应力场的影响,探讨了其增韧效果。结果表明：在冲击过程,能量释放率主要以Ⅱ型为主,分层区域受铺层角度的影响。[0]12层合板的分层扩展可能将发生在0°和180°区域,[0/90]3S层合板的分层扩展可能将发生在90°区域。层间短纤维能够减小分层前缘的能量释放率,提高了其能量释放率的阈值,增韧效果明显。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 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 动力学问题及其求解
• 2.2 非线性问题的求解
• 2.2.1 非线性有限元方程组
• 2.2.2 几何非线性问题及其求解
• 2.2.3 接触非线性问题及其求解
• 2.3 正交各向异性弹性体的本构关系
• 2.4 能量释放率算法
• 2.5 本章小结
• 第3章 复合材料层合板冲击过程的有限元分析
• 3.1 引言
• 3.2 有限单元法
• 3.2.1 有限元分析的要点
• 3.2.2 有限元法的特性
• 3.3 ABAQUS工程软件的介绍
• 3.4 验证算例
• 3.4.1 非线性验证
• 3.4.2 Hertz接触验证
• 3.4.3 冲击过程的验证
• 3.4.4 能量释放率验证
• 3.5 建模
• 3.6 结果分析
• 3.6.1 冲击过程
• 3.6.2 裂纹前缘变形场及应力场分析
• 3.6.3 铺层角度对结果的影响
• 3.6.4 边界条件对结果的影响
• 3.6.5 模型简化对结果的影响
• 3.7 本章小结
• 第4章 层间短纤维的增韧作用的研究
• 4.1 引言
• 4.2 层间短纤维模型建立
• 4.3 层间短纤维桥联力对能量释放率的影响
• 12层板层间短纤维影响分析'>4.3.1 [0]₁₂层板层间短纤维影响分析
• 3S层板层间短纤维影响分析'>4.3.2 [0/90]_3S层板层间短纤维影响分析
• 4.4 层间短纤维增韧作用分析
• 12层板层间短纤维增韧作用分析'>4.4.1 [0]₁₂层板层间短纤维增韧作用分析
• 3S层板层间短纤维增韧作用分析'>4.4.2 [0/90]_3S层板层间短纤维增韧作用分析
• 12和[0/90]_3S层板结果对比分析'>4.4.3 [0]₁2和[0/90]_3S层板结果对比分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 结论及展望
• 5.1 结论
• 5.2 本文创新点
• 5.3 展望
• 参考文献
• 致谢