飞机复合材料结构分层损伤研究

论文摘要

先进复合材料由于高比强度、比刚度,耐疲劳等优点在航空航天领域中得到广泛应用,但复合材料结构在加工和使用中不可避免产生缺陷,其中分层损伤是复合材料的主要失效之一。本文对飞机复合材料结构分层损伤进行研究。本文基于裂纹闭合技术和裂纹尖端单元分析方法,分别建立3D和双板有限元模型计算作为复合材料分层扩展判据的应变能量释放率,比较其预测精确度,在此基础上分析了层压板的铺层顺序对应变能量释放率的影响。介绍基于内聚力模型的界面元复合材料分层形成及扩展分析方法,利用界面元对混合型弯曲分层扩展试验进行模拟并与试验结果对比,预测层合板的层间性能及裂纹尖端网格密度对层压板混合模态下分层扩展的极限载荷影响。本文研究了层压板的极限强度和破坏失效模式,采用基于细观力学的失效准则,逐个单刚度退化,从而对层压板进行渐进失效分析。基于Hashin准则和LaRC03准则以及Chang的材料参数退化模型,利用渐进失效模型对四种铺层含圆孔的层合板的拉伸破坏进行了失效扩展过程的数值仿真分析,预测其破坏模式、损伤起始、损伤扩展以及拉伸极限载荷,并通过4种碳纤维复合材料开孔层合板拉伸强度试验对仿真结果进行验证。基于界面元,运用分层起始和分层扩展准则,对蜂窝夹层内嵌件结构进行脱胶分析,同时基于复合材料渐进失效对蜂窝夹层面板进行失效分析。利用Abaqus软件,通过fortran用户子程序对含内嵌件的蜂窝夹层结构进行整体失效分析,并通过试验验证,证明整体失效分析模型能较好预测含内嵌件蜂窝夹层结构拉脱极限强度和各部分损伤机理,类型以及演化过程。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 本课题研究背景和意义
• 1.2 分层问题国内外研究现状
• 1.2.1 虚拟裂纹闭合技术
• 1.2.2 基于内聚力模型的界面元方法
• 1.2.3 复合材料渐进失效分析
• 1.2.4 复合材料含内嵌件的夹层结构失效
• 1.3 本文主要工作
• 第二章 基于虚拟裂纹闭合技术（VCCT）和裂纹尖端单元 （CTE）对复合材料分层损伤预测
• 2.1 虚拟裂纹闭合技术和裂纹尖端单元分析理论
• 2.1.1 虚拟裂纹闭合技术
• 2.1.2 裂纹尖端单元分析
• 2.2 应变能量释放率计算算例及分析讨论
• 2.2.1 两种计算模型精确度对比
• 2.2.2 铺层顺序对应变能量释放率的影响
• 2.3.本章小结
• 第三章 基于界面元复合材料分层形成及扩展分析方法
• 3.1 界面元基本方程
• 3.1.1 界面元的力学基础
• 3.1.2 界面元的离散支配方程
• 3.2 界面元介绍
• 3.2.1 I、II 型破坏模式
• 3.2.2 混合型破坏模式
• 3.3 界面元失效准则
• 3.3.1 分层起始准则
• 3.3.2 分层扩展准则
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于界面元复合材料混合模式分层断裂分析
• 4.1 混合分层试验
• 4.2 混合模式分层断裂有限元模拟
• 4.3 结果分析讨论
• 4.4 网格密度对计算结果影响
• 4.5 本章小结
• 第五章 复合材料开孔层压板结构渐进失效分析
• 5.1 有限元仿真方法
• 5.2 失效准则及刚度退化准则
• 5.2.1 失效准则
• 5.2.2 刚度退化方法
• 5.3 逐层失效模拟
• 5.4 开孔层合板破坏模式及失效演化
• 5.4.1 损伤模式、损伤起始及损伤扩展分析
• 5.4.2 仿真结果与试验结果对比
• 5.5 开孔层压板的极限承载能力
• 5.6 本章小结
• 第六章 飞机方向舵后缘衬套拉脱失效分析
• 6.1 试验概述
• 6.1.1 试件准备及试验过程
• 6.1.2 试验结果及分析
• 6.2 方向舵后缘衬套拉脱整体失效分析
• 6.2.1 有限元模拟
• 6.2.2 失效判据及刚度退化
• 6.2.3 结果分析
• 6.3 本章小结
• 第七章 总结和展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文
• 附件