正交叠层板最终拉伸破坏的细观力学研究

基于剪滞理论,研究了在０°方向承受拉伸的复合材料正交叠层板由９０°层的破坏及０°层中部分纤维断裂相互作用所导致的细观应力重新分布．在此基础上,采用随机临界核统计理论,对正交叠层板的最终拉伸破坏进行了细观统计分析．对［０／９０ｎ／０／９０ｎ／０］碳／环氧的计算结果表明,算得的最终拉伸强度能较好地吻合现有的实验结果．     

正交叠层板横向初始开裂问题的研究

建立一种分层剪滞模型，并结合线弹性断裂力学，研究了正交叠层板在受到沿0^。层方向的拉伸荷载作用下，90^。层中产生横向基体开裂的破坏问题．同时求得了计及固化残余热效应影响的初始破坏应变，计算结果和现有实验与有限元结果吻合较好．本文中所提出的模型和方法为纤维增强复合材料叠层板的破坏分析提供了一种新的研究途径，所得结果也为进一步分析叠层板的多级破坏和最终破坏等问题提供了理论依据．     

层间混杂复合材料最终破坏过程中的细观应力集中分析

基于剪滞假设（Ｚｗｅｂｅｎ，１９７４），提出一种修正的剪滞分析模型，研究了层间混杂复合材料低延伸层的断裂、层间界面破坏及高延伸层中部分纤维断裂相互作用导致的细观应力重分布。讨论了层间界面破坏对高延伸纤维中的应力集中因子的影响，为层间混杂叠层复合材料最终拉伸破坏的细观统计分析提供理论依据。     

正交叠层极横向裂纹扩展分析(Ⅰ)——初始开裂

基于剪滞理论,提出一种称之为有限子层剪滞模型,研究了轴向拉伸复合材料正交叠层板的横向基体初始开裂问题;求得了横向裂纹扩展时的应力重分布;算出了相应的应变能释放率.根据能量准则,预测了此类复合材料的初始破坏应变,得到了与现有实验相符的结果.     

平纹叠层SiC/SiC复合材料室温和高温拉伸行为与破坏机理

通过单向拉伸试验,对比研究平纹叠层SiC/SiC复合材料在室温和高温(1 200℃)环境下的宏观力学特性,并采用扫描电镜对试验件断口进行观测,以分析其微观损伤模式和破坏机理.结果表明:平纹叠层SiC/SiC复合材料的室温和高温拉伸应力-应变行为均表现为非线性特征,具有较高的轴向拉伸基体开裂应力;两者拉伸强度相差不大,但高温下的断裂应变比室温下的高.从宏观断口分析可知,两者均呈现韧性断裂,但纤维拔出长度和断口平齐程度有所不同.材料内部产生的基体裂纹大部分与加载方向垂直;断面上经向纤维束发生纵向拉伸断裂破坏,内部存在严重的界面脱粘损伤以及纬向纤维束发生轴向劈裂破坏是材料在室温和高温下的拉伸破坏机理.高温下由于纤维与基体间的界面层在一定程度上被高温氧化而退化失效,使界面结合变弱和界面滑移力降低,从而产生较长的纤维拔出长度,所以高温下材料具有较高的断裂韧性.     

层合结构对复合材料层合板最终强度的影响

以碳纤维/环氧树脂层合板为对象,研究了其最终强度与层合结构的关系.对于准各向同性层合板,其弹性性能不随方向变化.在板内发生损伤之后,其各向同性性质不再保留,最终强度将依赖于加载方向以及叠层顺序.拉伸试验和有限元数值分析表明:若板内含有0°层,且该层位于板的表层时,则最终强度最大;若板内既无0°层,又无90°层,则初始层破坏强度较大,而最终强度远小于含有0°层板的最终强度.     

正交叠层板横向裂纹扩展分析(Ⅱ)——多重断裂

采用有限子层剪滞分析模型，研究了受轴向拉伸的复合材料正交叠层板横向基体多重断裂问题，导出了裂纹密度与施加应力的关系，得到了与现有实验较为接近的结果。     

层间混杂复合材料最终拉伸破坏问题研究

采用剪滞理论,研究了受纵向拉伸的层间混杂复合材料由某些低延伸层已发生破坏和高延伸层中部分纤维断裂相互作用而导致的应力重分布。在此基础上,采用随机临界核理论,对层间混杂叠层复事材料的最终拉伸破坏进行细观察统计分析。结果表明,估计的最终拉伸破坏应变与现有的实验有较好的符合．     

复合材料对称层合板的强度预测

基于层合板五层等效约束模型(Equivalent Constraint Model,ECM),建立了基体开裂下的层合板残余强度的分析方法.基体开裂导致层合板内部应力重分配,使得主受力层(0°层)应力或应变条件恶化.认为0°层控制层合板的最终失效破坏:当0°层失效时,整个层合板发生失效破坏.对不同材料体系和铺层结构的复合材料对称层合板的强度进行了预测.计算结果表明:这种强度准则的预测值与实验结果吻合较好.     

计及界面作用的单向复合材料统计强度

对单向纤维增强复合材料的纵向拉伸破坏进行了细观统计分析。基于随机扩大临界核统计模型，结合含纤维／基体界面损伤的应力集中分析结果，导出了具有界面剪切强度效应的复合材料的强度分布函数和破坏准则，得到了复合材料拉伸强度与界面剪切强度的关系，为复合材料微结构的优化设计提供了重要的理论依据。文中用已有的实验证实了本文方法和结果的正确性和合理性，并定量地讨论了最优界面粘合问题。     

含孔复合材料层合板拉伸失效分析研究

对国产T700/双马树脂基复合材料的含孔层合板进行了拉伸失效分析研究,分析了不同开孔直径和开孔形状对复合材料层合板拉伸性能的影响,利用有限元软件ABAQUS建立逐渐损伤失效模型,对复合材料层合板的拉伸强度进行数值模拟。研究结果表明：对于不同开孔直径的复合材料层合板,随着圆孔直径的增大,拉伸强度显著下降,对于不同开孔形状的复合材料层合板,含圆孔的层合板拉伸强度最大,然后依次是椭圆孔、方形孔、菱形孔,层合板的断裂模式都为过孔破坏。数值模拟得到的强度值与试验测量的强度值吻合较好,为含孔复合材料层合板的强度预测提供了一种有效的方法。     

考虑劈裂对应力集中缓解作用的纤维增强复合材料损伤破坏分析

外载荷作用下含缺口纤维增强复合材料层合板在缺口边缘存在很高的应力集中,在载荷水平较低时,缺口边缘纤维间基体受剪切作用会发生沿纤维方向的纵向劈裂,该纵向劈裂会降低缺口处的应力集中并提高层合板的承载能力。为准确模拟纵向劈裂对缺口边缘应力集中的缓解作用,利用扩展有限元方法模拟劈裂建立了复合材料层合板渐进性损伤破坏分析的仿真模型,模型选用Hashin破坏准则对复合材料层合板的失效进行预测,分别研究了铺层顺序和缺口形状对复合材料层合板抗拉强度的影响,并与现有文献中的实验结果进行了对比,模拟结果表明破坏模式和破坏强度均与实验结果相吻合,验证了本文渐进性损伤破坏分析仿真模型的有效性。     

单向机织物增强复合材料层合梁弯曲破坏规律

五组单向机织物增强层合梁的弯曲实验表明：层合梁的最大弯曲强度通常并不对应于最后一层破坏时的荷载；铺设角不同的层合梁达到最大承载力时，破坏并不发生在同一层，且总的破坏层数和对应位移都不相同，其破坏形式可以定性预测．研究还表明：根据实测的单层板的非线性本构关系和强度指标，运用经典层合梁理论，可以对非弯扭耦合层合梁的最大承载力和挠度进行预测．     

考虑双模量影响的复合材料销钉连接失效分析

摘要： 针对复合材料层压板销钉连接结构连接特性,提出一种考虑双模量影响的破坏载荷的数值模拟方法.考虑复合材料在拉伸和压缩应力状态下弹性模量的不同,根据材料所处应力条件选择适当的刚度矩阵,以三维Hashin准则作为单向复合材料层压板的失效判据,采用Camanho的刚度折减模型,将3组不同厚度和铺层的复合材料层压板破坏载荷的试验结果与考虑双模量影响和仅用拉伸模量的有限元模拟结果进行对比.结果表明,考虑双模量影响的有限元模型能够更加准确地预测最终层压板销钉连接结构的破坏载荷.     

玻璃纤维平纹编织层合板面内剪切渐进失效分析

为研究玻璃纤维平纹编织层合板面内剪切性能,建立其面内剪切渐进失效分析模型。基于Ramberg-Osgood方程建立考虑面内剪切的非线性本构模型,编写VUMAT子程序,设置Hashin失效准则和刚度退化准则,采用ABAQUS/Explicit求解器对玻璃纤维平纹编织层合板的面内剪切过程进行模拟。研究表明：建立的非线性模型能够很好的描述面内剪切非线性；面内剪切过程中,首先发生纤维-基体的剪切失效,然后是经纬向纤维的拉伸失效,最后是经纬向纤维的压缩失效；预测得到的面内剪切强度、初始剪切模量、位移载荷曲线和失效模式与试验结果吻合,证明所建立模型的有效性。     

复合材料T型接头拉伸断裂行为的数值模拟

针对碳纤维复合材料T型接头在拉伸载荷下的断裂行为及其失效强度进行了数值预测,并将预测结果与试验数据进行了对比分析.在该数值模型中,分别使用增强有限单元法和内聚力模型考虑了T型接头三角区填充材料裂纹和层间界面分层的萌生与传播过程.结果表明,数值计算结果与试验结果对比较好,三角填充区域是T型接头结构中裂纹最先萌生的位置;填充材料的断裂行为并不影响T型接头最终失效载荷;加强筋层合板与蒙皮层合板间的分层行为是T型接头拉伸失效的根本原因.     

考虑剪切非线性的复合材料渐进损伤模型

针对具有明显剪切非线性的复合材料,提出了一种考虑剪切非线性影响、能够分析和预测复合材料层合板极限承载能力的损伤模型.采用Ramberg-Osgood方程描述层合板剪切非线性的应力与应变本构关系,基于连续介质损伤理论建立了分析复合材料结构渐进损伤的三维有限元模型,采用已有的应变描述的三维Hashin失效准则和Ye-分层失效准则预测其损伤起始,引入损伤状态变量来分析层合板的损伤扩展,通过UMAT子程序实现了损伤模型的模拟,并运用黏性正则化方法确保计算收敛.同时,将模型运用于AS4/PEEK复合材料开孔层合板渐进损伤实验的模拟分析.结果表明,模拟计算结果与实验结果较吻合,对比已有模型的预测结果,所提出的方法具有更高的准确性.     

复合材料层合板的强度鲁棒性特征

针对复合材料强度行为的复杂性和准确预测的困难，首次提出复合材料强度鲁棒性的概念，即研究复合材料强度相对各种影响因素的变动所具有的稳定性特征，为复合材料的合理设计与利用提供新的分析思路和手段，通过对CFRP层合板进行试验和数值分析对比研究，讨论了加载方向对初始层失效应力（初始强度）的影响，在确认有限元计算的有效性之后，进一步讨论了加载方向以及单层板弹性常数的小范围变动对强度的影响。结果表明，为了获得较稳定的强度特征，当弹性模量E1较小时，应尽量控制E1本身的变动，而在E1较大的情况，控制加载方向的偏离更为重要。     

复合材料强度准则在层合板失效预测中的适应性评估分析

对Tsai-Wu、Hashin及LaRC05等3种复合材料强度准则的预测能力及适用性进行了评估分析。首先对各准则进行了介绍和简要评述;然后在CCF300/5405及T300/QY8911材料体系下构建材料基本力学性能试验矩阵及层合板试验矩阵;并完成强度测试。最后依托有限元分析,以试验数据为基准,按照设定的评分标准对各强度准的预测精度进行了客观评估,分析了其适用性。结果表明:各强度准则均有不足,还待发展; LaRC05准则有着相对较好的综合表现; Hashin准则更适用于层合板拉伸强度计算。LaRC05准则更适用于层合板压缩强度计算。