基于非局部理论的复合材料层合板损伤演化研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lvzhenzhuo112
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碳纤维复合材料具有比强度高和比刚度高等优点,以及优异的疲劳特性,因此纤维增强复合材料被广泛地用于各种领域,比如在航空,航天,汽车,船舶,风力发电等产业作为承载组件,尤其在航空和航天结构是必不可少的。但是复合材料的韧性较低,当受到外部载荷作用时,尤其是受到冲击载荷后极易发生损伤。复合材料的损伤机理十分复杂,往往是由多种因素相互作用。对于冲击损伤更是非常复杂和难以预料的,因为它们依赖于许多参数,如复合结构的几何形状,冲击物,冲击速度,边界条件,铺层方式等。所以需要深入研究复合材料损伤失效行为,保证复合材料结构使用过程中的安全。对于材料的应变软化问题,在经典的局部理论框架下的连续模型有限元方法,常会出现病态的网格依赖问题。在此背景下,本文提出了根据应变描述的Hashin失效准则以及纤维和基体的损伤演化规律。本文主要工作是在ABAQUS/Explicit计算模块中开发了非局部平均化VUMAT子程序,用来模拟软化材料的行为,可以有效避免有限元仿真模拟损伤过程中过分依赖网格划分问题。在子程序中根据Hashin失效准则对纤维和基体进行失效判断,通过定义的材料损伤演化规律,完成了对复合材料纤维和基体在失效起始后的损伤演化模拟。为了验证子程序的准确性,进行了单一网格的算例分析,模拟了两种铺层情况下的拉伸和剪切测试,验证了子程序本构模型以及损伤变量的演化规律。进而进行了网格密度测试,验证了通过本文开发的子程序计算的结果不具有网格依赖性。并进一步建立含开孔的复合材料层合板二维有限元拉伸模型,通过Hashin准则得到了开孔层合板的损伤失效模式以及极限载荷。最后建立了冲击模型,并通过引入粘性层来模拟分层损伤,模拟得到了冲击过程中关于冲击头的时间历程曲线,将有限元仿真得到的结果与试验比较,验证了仿真模型的正确性。
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