冲击载荷下纤维增强复合材料的分层扩展行为

论文摘要

连续纤维增强复合材料以其良好的综合性能成为最具发展前途的新型结构材料之一,广泛的应用于许多重要的结构中。复合材料在使用过程中往往会出现不同形式的损伤,如横向基体开裂、界面破坏、纤维断裂和层间分层。近年来的理论分析和实验研究表明,层合复合材料的薄弱部位在层间,分层损伤是复合材料层合结构最严重的一种损伤形式,导致结构强度大幅度下降,是层合复合材料结构在使用过程中的主要隐患。因此,研究复合材料的分层机理、分层影响以及提高抗分层性能具有重要的理论意义和应用价值。本文通过理论分析和数值模拟研究了冲击载荷作用下纤维增强复合材料的分层扩展行为。本文以复合材料力学和断裂力学为基础,对ANSYS软件进行二次开发,编制了具有分析几何非线性、材料非线性、接触非线性、分层扩展等功能的有限元软件,用于纤维增强复合材料的分层扩展分析。在计算过程中以能量释放率作为分层扩展的判据,通过解除相应节点的耦合约束来模拟裂纹的动态扩展,同时激活双向弹簧单元和接触单元,分别用来模拟短纤维桥联力和材料的不可穿透性。本文研究了不同冲击能量下层合复合材料分层尖端的能量释放率、应力分布和开裂稳定性,并对有无层间短纤维的情况进行对比。结果表明：层间短纤维能够减小分层尖端的能量释放率,有效的减小裂纹的开裂速率,提高开裂稳定性。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 分层扩展问题的研究现状
• 1.3 分层扩展问题的研究方法
• 1.4 本文研究内容
• 第2章 分层扩展的理论基础
• 2.1 动力学问题及其求解
• 2.2 非线性问题的求解
• 2.2.1 非线性方程组的求解
• 2.2.2 材料非线性问题及其求解
• 2.2.3 几何非线性问题及其求解
• 2.2.4 接触非线性问题及其求解
• 2.3 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 复合材料层合板分层扩展的有限元分析
• 3.1 有限元分析模型的建立及求解
• 3.1.1 模型参数及简化
• 3.1.2 单元类型的选择
• 3.1.3 有限元模型
• 3.1.4 裂纹扩展模拟
• 3.1.5 接触问题
• 3.1.6 冲击物的模拟
• 3.1.7 层间短纤维桥联力的模拟
• 3.1.8 求解过程
• 3.2 验证算例
• 3.2.1 Hertz接触验证
• 3.2.2 冲击过程的验证
• 3.2.3 能量释放率的验证
• 3.3 结果分析
• 3.3.1 冲击过程分析
• 3.3.2 裂纹尖端变形场及应力场分析
• 3.3.3 能量释放率分析
• 3.3.4 裂纹尖端节点力及节点位移场分析
• 3.3.5 裂纹开裂及稳定性分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 层间短纤维对复合材料层合板分层扩展的影响
• 4.1 层间短纤维对裂纹尖端变形场及应力场的影响
• 4.2 层间短纤维对能量释放率的影响
• 4.3 层间短纤维对开裂稳定性的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢