考慮界面相的復合材料宏-細觀漸進損傷解析模型研究.pdf

1、碳纖維增強樹脂基復合材料的剛度、強度等宏觀力學性能均是由其細觀組分結構與性能決定的,為了充分發(fā)揮復合材料的可設計性優(yōu)勢,從細觀材料組分層面來揭示宏觀力學性能的本質是十分必要的。在此需求下,宏-細觀協(xié)同分析力學模型的研究成為了熱點。人們不斷地深入了解復合材料細觀結構與性能的同時,那些能夠和宏觀力學分析方法很好相結合的細觀力學模型也在迅速地發(fā)展,其中通用單胞方法(GMC)就是頗具代表性,有限容積直接平均細觀力學方法(FVDAM)則是目前處于

2、發(fā)展階段并且頗具潛力的細觀力學方法。這兩種方法都是半解析的形式,所以比較容易同現(xiàn)有的商業(yè)有限元軟件相結合來構建宏-細觀分析模型。
　　本文分別以GMC和FVDAM這兩種細觀力學方法為基礎,面向復合材料的不同層面提出了具有普適性的宏-細觀漸進損傷解析模型。本文模型突破了傳統(tǒng)宏-細觀模型計算效率的瓶頸,并且可以更加細致地考慮細觀組分的結構、缺陷及損傷。利用本文提出的模型,研究了單向板的材料常數、單向板橫向拉伸/壓縮性能、層合板強度和層

3、合板釘連結構的擠壓性能,從細觀纖維、基體和界面相組分的層面揭示了細觀組分性能與結構對宏觀力學性能的影響規(guī)律。本文主要工作內容如下:
　　(1)基于GMC和FVDAM細觀力學方法,考慮不同的纖維分布,構建了包含細觀組分(纖維、界面和基體)的代表性體積單元解析模型。研究了纖維分布和界面相性能對宏觀彈性常數預報的影響,通過與實驗數據對比,驗證了本文模型的合理性與高精度;從細觀組分應力和損傷的角度(例如基體、界面相的應力狀態(tài))揭示了單向板

4、橫向拉伸/壓縮的破壞機理及損傷模式,最終指出GMC和FVDAM這兩種細觀力學方法在預報單向板橫向拉伸/壓縮的失效行為方面的優(yōu)勢與不足。
　　(2)將本文提出解析模型與經典層合板理論相結合,進一步提出了宏-細觀層合板強度預報解析模型,研究了不同基體組分失效準則(Max-strain、Max-stress、Tsai-Hill和Tsai-Wu)對雙軸載荷下層合板(含單向板)強度譜預報的影響。應用本文的預報模型分析了“World-Wide

5、FailureExercise(WWFE)”中層合板強度預報的全部算例,包括四種材料體系、五種鋪層類型、指定載荷下應力-應變曲線等方面。通過與實驗數據對比發(fā)現(xiàn)本文的強度預報模型有著較廣的適用范圍和較高的預測精度。
　　(3)將本文的宏-細觀解析模型通過Abaqus用戶自定義子程序USDFLD與有限元相結合,構建了基于細觀組分失效判斷的宏-細觀強度預報模型。應用該模型對層合板連接結構的單釘雙剪擠壓破壞行為進行了研究,預報了三種典型的