摘 要

复合材料是由两种或两种以上不同性能、不同形态和不同成分材料，通过合适的方法，将其组合成一种具有整体结构特性的，使用性能良好的材料。复合材料具有轻质高强、耐腐蚀、可设计性显著等特性，在航空航天、军工产业、汽车工业、能源工程、风力发电及船舶工业等领域广泛应用。但是复合材料层间强度较低容易发生层间破坏，另外复合材料属脆性材料抗断裂、抗疲劳、抗冲击性能较低，正是应为这些缺点，复合材料常常形成许多内部损伤，如基体失效，纤维失效以及分层等损伤。这些内部损伤与扩展会使材料的承载能力严重降低最终破坏，使得复合材料结构的产品有着潜在的安全隐患。因此，研究复合材料层合板失效，对复合材料结构设计和安全性具有重大意义。

本文采用最先一层失效方法模拟了AS4D/9301复合材料层合板的失效过程，基于有限元软件 ABAQUS 来完成数值分析，并用蔡-吴（Tsai-Wu）张量准则作为失效的判断依据，建立三维有限元分析模型，对AS4D/9301复合材料对称层合板进行失效分析，最后计算出最先一层失效载荷。

关键词：复合材料层合板；失效准则；首层失效方法；ABAQUS；有限元分析

Abstract

The composite material made of two or more different types, different performance, different forms or different material composition, through appropriate composite method, combining them into a with whole structure characteristics, with a good performance .Composite materials are widely used in aerospace, military industry，automotive industry, energy engineering, wind power generation and shipbuilding industry, because of its excellent performance including high strength and light quality, being designable and Corrosion Resistance. However, because of the weak interlayer shear strength, the composite layer is easy to break, and the composite material is brittle material with low fracture resistance, fatigue resistance and low impact resistance. It is precisely these shortcomings that the composite materials often have internal or inter layer internal damage, such as matrix failure, fiber failure and interlayer delamination. These internal damage and expansion will make the bearing capacity of the composite severely reduced, and ultimately destroyed, bringing potential safety hazard to the composite structure. Therefore, it is of great significance to study the failure of composite laminates for the safety and reliability of the design and application of composite structures.

In this paper, the failure process of AS4D/9301 composite laminates is simulated by the First Ply Failure. This paper is based on the finite element software ABAQUS to complete numerical analysis, and used Tsai-Wu criterion as the failure criterion. Then establish a three-dimensional finite element analysis model, and perform failure analysis of AS4D/9301 composite laminates, finally, predict the failure limit load.

Key Words：Composite laminate; Failure criterion; First Ply Failure; ABAQUS; Finite element analysis

目录

摘 要 I

第1章 绪论 1

1.1目的及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3本文的主要内容 2

第2章 复合材料失效理论 3

2.1 单层板的强度 3

2.1.1 正交各向异性单层板的基本强度 3

2.1.2最大应力准则（Maximum stress criteria） 3

2.1.3最大应变强度准则(Maximum strain criteria) 4

2.1.4蔡-希尔（Tsai-Hill）强度准则 4

2.1.5 蔡-吴（Tsai-Wu）强度准则 4

2.1.6单层板强度的计算方法 5

2.2 层合板的强度 7

2.2.1首层失效及其强度的确定 7

2.2.1末层失效法及极限强度的确定 7

2.3 本章小结 8

第3章 基于ABAQUS的复合材料层合板失效分析 9

3.1 ABAQUS产品介绍 9

3.2 ABAQUS 单元的介绍与选择 9

3.2.1 壳单元 9

3.3拉伸载荷下复合材料层合板失效分析 10

3.3.1结构型图与模型的建立 10

3.3.2材料性能的定义 11

3.3.3定义装配与分析步骤的确定 15

3.3.4 约束加载和网格划分 15

3.3.6实验结果的查看 18

3.3.7失效载荷的计算 21

3.4本章小结 21

第4章 结论与展望 22

4.1结论 22

4.1展望 22

参考文献 23

致 谢 24

第1章 绪论

1.1目的及意义

复合材料的使用历史可以追溯到远古时期，例如，古埃及人将木板作不同方向的排列制成用于造船的多层板，中国古代用稻草加强黏土制作泥砖等。但作为一门科学，复合材料层合板与结构设计的兴起还是近50多年来的事情。树脂基复合材料于19世纪四十年代在美国出现，1940年用它制成了军用飞机雷达罩，不久之后，设计制成了一架以玻璃纤维增强树脂为机身和机翼的飞机。从此复合材料开始在军事武器和工程建造中崭露头角。在第二次世界大战结束后，工业和科技蓬勃发展，复合材料在人们生活中的运用越来越多，并且迅速发展。从此，新工艺、新技术、新材料、新产品不断地出现，质量不断提高，应用领域不断扩大，并逐步实现机械化、自动化、规模化生产。自从复合材料的出现，使人们对材料的选择、材料的使用、材料的设计更加多样化。

如今复合材料具有轻质高强、耐腐蚀、可设计性显著，抗疲劳性优越，材料与结构具有同一性，阻尼减震性能好等特性，在航空航天、军工产业、汽车工业、能源工程、风力发电及船舶工业等方面得到了广泛应用。例如，在新型民用客的研制中运用的到了大量的复合材料，空客公司的 A380飞机、 A350飞机和波音公司的波音787飞机等新一代大型飞机，它们之所以先进的代表性特征就是它们使用了大量的复合材料，其中机翼、机身、风扇叶片、发动机等重要结构都采用了非常多的复合材料，三种飞机复合材料的使用量分别占整个飞机体重的26%，53%和51%左右，复合材料的成本随着用量的增加而降低，极大地推动了复合材料用于制造整个飞机。使用复合材料设计的飞机，可以推进隐身和智能结构设计技术的发展，能够有效地减轻了飞机的体重，提高了飞机的运载能力，降低了发动机的油耗，减少了污染的排放，提高了经济效益；复合材料优异的抗疲劳和耐介质腐蚀性能，提高了飞机的使用寿命和安全性；复合材料结构的使用，有利于提高结构效率与可靠性，提高飞机性能。另外，在航空航天领域，先进复合材料具有满足航天技术要求的一系列优点和特，成为当代航天技术不缺少的重要材料。一般来讲，在航空航天里使用先进的复合材料，可以使结构减轻31%-41%左右,可以带来明显效益。现在，复合材料的使用量已用来衡量一个飞行器先进性的重要指标之一。先进的复合材料可用作大型运载火箭的壳体、动机壳体、航机机翼、火箭的喷火口、战略导弹的末级助推器、机器人的外壳等。在我国“神舟七号”飞船的研制中，复合材料的使用比例已达到65%。