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基于逐渐损伤模型的层合板脱层数值模拟

作　者: 王敬意
导　师: 石广玉
学　校: 天津大学
专　业: 固体力学
关键词: 复合材料层合板低速冲击粘结层分层损伤
分类号: TB33
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 67次
引　用: 1次
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内容摘要

纤维增强复合材料层合板因其具有高比模量、高比强度等独特优点而广泛应用于航空航天等各地领域,但它在厚度方向上的强度较弱,尤其是铺层间的粘结层的强度低,这使得它在受到物体的低速横向冲击作用后极易产生损伤和破坏,如基体开裂、层间分层、基体剪切、纤维断裂等损伤,其中,分层是最主要的破坏形式。虽然以前的研究者提出了一种能够用于复合材料层合板分层的高效计算机模拟的新界面元(SOLSH190单元),这种单元能够较精确地预测界面层的力学行为和失效机理,但是并没有考虑粘结层的逐渐损伤对脱层的影响。本文将基于逐渐损伤模型对层合板脱层进行数值模拟,主要工作为:(1)在层合板分层分析中,我们用粘结层材料的应力应变关系来描述界面层的变形及破坏。当进入塑性区时,我们认为损伤出现,当损伤达到某一程度时,我们认为粘结层材料破坏,层合板脱层。在Lemaitre损伤模型的基础上利用一种考虑内变量损伤因子的自由能,可以推出一个不但连续和光滑,且有明确物理基础的逐渐损伤演化模型。(2)用来计算单元损伤演化的两种数值积分方法,即均值法和高斯点法,并利用单元的生死功能对端边切口模型和Ⅰ型Ⅱ型裂纹的混合型模型的分层进行了数值模拟,利用两种积分方法计算出来的结果比一步退化方案下的计算结果与实验结果相比更为吻合,其中高斯点法更精确。(3)将低速冲击问题看成为准静态问题,用最大的冲击力以集中载荷的形式准静态加载到板上,我们将对三种非常典型的层合板结构进行计算,结合考虑逐步损伤的高斯点积分方法,我们讨论分层破坏的位置及形状,得出了比一步退化计算方法更接近实验的分层形状。本文的研究表明,基于连续损伤力学推导出来的损伤模型结合两种积分方法是能够模拟材料逐步退化这一损伤过程的,其中利用高斯点计算单元损伤及失效更为合理。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章绪论  7-13
  1.1 引言  7-10
  1.2 国内外相关领域的研究现状  10-11
  1.3 目前存在的问题  11
  1.4 本文的主要工作  11-13
第二章复合材料有限元模型和分层损伤准则  13-30
  2.1 复合材料层合板结构和本构关系  13-14
  2.2 复合材料层合板的有限元模型  14-19
    2.2.1 关于层合板脱层的有限元模型综述  14-17
    2.2.2 SOLID46 单元和SOLSH190 单元  17-19
  2.3 层合板失效准则和逐渐损伤演化模型  19-30
    2.3.1 一步退化失效准则  19-23
    2.3.2 Lemaitre 损伤模型  23-27
    2.3.3 基于损伤自由能推导的损伤模型  27-30
第三章基于损伤因子两种积分方案模拟复合材料层合板分层  30-43
  3.1 引言  30
  3.2 损伤准则  30-31
  3.3 ENF计算模型  31-36
  3.4 MMB计算模型  36-40
  3.5 MMB模型在不同极限应变下的分层模拟  40-41
  3.6 本章小结  41-43
第四章基于高斯点积分损伤因子方案的层合板低速冲击的准静态模拟  43-61
  4.1 引言  43
  4.2 层合板算例  43-60
  4.3 本章小结  60-61
第五章总结与展望  61-63
  5.1 全文总结  61-62
  5.2 对未来工作的展望  62-63
参考文献  63-68
科研情况说明  68-69
致谢  69

基于逐渐损伤模型的层合板脱层数值模拟

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