论文总字数：20080字

摘 要

一个复合材料含孔正交对称层合板双向拉伸计算模型在ABAQUS计算平台上被建立，用来分析与讨论复合材料含孔正交对称层合板在双向拉伸载荷下的失效模式以及过程，有限元建模过程中的损伤模型采用的是Hashin失效模型，并分析了含孔正交层合板在双向拉伸载荷下的纤维拉伸、纤维压缩、基体拉伸、基体压缩等四种损伤模式的开始发生和发展过程以及其分布区域，分析出造成层合板最终破坏的主要失效模式。计算了四种不同加载比条件下复合材料含孔层合板的双向拉伸失效过程，得到了其载荷位移曲线以及强度包络线。

关键词：复合材料层； 双向拉伸； 渐进损伤； 有限元模拟

Abstract

A biaxial tension calculation model of composite orthotropic symmetric laminated plates with holes was established on ABAQUS computing platform to analyze and discuss the failure modes and processes of composite orthotropic symmetric laminated plates with holes under biaxial tension load. The damage model in the finite element modeling process adopts Hashin failure model, and analyzes the initiation, development and distribution areas of four damage modes of orthogonal laminated plates with holes under biaxial tension load, including fiber stretching, fiber compression, matrix stretching and matrix compression, and analyzes the main failure modes that cause the final failure of laminated plates. The biaxial tension failure process of composite laminates with holes under different five loading ratios is calculated, and the load displacement curve and strength envelope are obtained.

Keywords:Composite layer；Biaxial stretching；Progressive damage；Finite element simulation

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究进展 1

1.3 本文研究工作 3

第2章 渐进损伤理论 4

2.1 材料失效准则 4

2.2 材料损伤演化 5

2.3 本章小结 8

第3章 有限元计算 9

3.1 单位制 9

3.2 有限元模型 9

3.3 模型建立 10

3.4 网格收敛性分析 12

3.5 本章小结 13

第4章 结果与分析 14

4.1 y与x方向载荷比为1：1 14

4.2 y与x方向载荷比为2：1 18

4.3 y与x方向载荷比为3：1 23

4.4 y与x方向载荷比为4：1 27

4.5 仅y方向拉伸 31

4.6 名义强度包络线 34

4.7 本章小结 36

第5章 结论 37

参考文献 38

致谢 40

第1章 绪论

1.1 研究背景

这里关于复合材料给出一个定义：即在宏观或微观层次上，通过物理或化学方法由两种或两种以上不同材料组成的材料，这种新材料与以前的材料相比可能具有完全不同的性能。如果采用适当的方法来制造，复合材料可能拥有有很多其他材料所没有的优点，利用复合材料技术，可以将诸如比模量高，比刚度大、耐高温、耐腐蚀、可设计性强这些不同材料的优点集中到一起。因为复合材料有这些潜力，所以复合材料在一些高精尖的科学技术领域的应用潜力很大，慢慢被用作许多部段结构的主要材料。不过，复合材料也无法避免传统材料的所有缺点，例如在使用的过程中，也会因为出现各种不连续问题，降低了其使用的安全性。由于目前技术的局限性，我们现在在复合材料在实际应用的过程中仍然被其一些缺点和问题所困扰。例如，复合材料制造成型工艺稳定性差，使得复合材料组织成分分散性大，内部易产生缺陷，导致结构性能不稳定；长时间耐高温和抗老化性能差；抗冲击能力低；破坏的形式千奇百怪难以捉摸，这些问题如果处理不当，可能会造成很大的损失甚至更加严重的后果。由于这些问题的存在，我们在对复合材料预测和性能控制的时候没有办法去得到一个准确的结果，这在很大一部分上给我们复合材料结构设计上造成了非常多的困难，由于这些种种因素，对复合材料渐进损伤的研究已经迫在眉睫了。

复合材料具有的最典型的性质就是非均匀和各向异性，工程应用研究中最大的重、难点就是对其失效模式的预测与分析。因为复合材料具有各向异性与非线性，所以对复合材料的模拟我们没有办法用单一的一种简单的本构方程对其进行概括，因此也没有任何一种方法可以用来解释所有的复合材料的失效模式。在实际的工程应用中，我们总是不可避免地在复合材料结构中开出各式各样的孔。开孔会导致的最直接的一个后果就是纤维被结构被改变，以至于力传导的方式出现了天壤地别的差别，这也对复合材料的预测造成了极大的阻碍。除此之外，孔周围局部刚度会因此发生突变，从而会使开孔周围出现应力集中。基于这些事实，复合材料在力学方面的性质会因为开孔而变得和原来不一样，材料承载的技能也会因为在材料上面开了个孔而被大大地削弱。总之，在实际的工程应用中，研究开孔复合材料的力学方面的性质事实上是意义非凡的，我们迫切需要对其进行研究，然后利用研究成果来指导工程实践。因此，有必要损坏多孔板并使其牢固去分析。最常用的模拟方法是将复合材料视为单一而且均匀材料，然后使用宏观强度标准，如Hashin、Tsai Wu损伤标准，分析复合材料的渐进性损伤。

1.2 研究进展

目前，国内外学者对复合材料的破坏过程和类型进行了讨论和预测。刘贞谷采用的不是局部形式的近场动力学方法，在经典力学中，利用非局部形式的近场动力学，这里的控制方程不是用传统的表达方法来表达的。而是用积分来表示，这一举动省去了额外的断裂和失效准则，进而研究复合材料的断裂和损伤问题。该模型的突出特点是建立了基于球函数的复合材料动力学模型，通过分析这个模型，导出了随着角度连续变化的微模块函数的具体解析公式，从而让各个角度的微模量函数表达式均有了一般形式；常园园等定义了复合材料刚性板的增量损伤有限元模型，并考虑了复合材料刚性板的脱粘性能委员会复合材料刚性板结构中存在初始几何缺陷这个复合材料的渐进破坏过程采用非线性有限元法对受压加筋板进行了分析；李汝鹏等采用了hashin失效准则，这里的Hashin失效准则是优化后的考虑三个维度的Hashin失效判据，然后将碳纤维复合材料的七种不同的失效模式同时纳入讨论与探究的考虑范围，而且提出了一种刚度折减方案，这种方案应用于材料受损后，而且是基于渐进损伤理论的。同时，设计并做了了相应的拉伸试验，然后将试验结果与有限元模拟结果进行比对，最后发现其结果高度吻合，最后对七种损伤模式的损伤的产生、扩展进行了数值分析；杨雄武运用PD理论，利用不同初始误差的雕刻材料去分析模型的弹性变形和渐进损伤过程。模拟了层合板在低于速度极限和冲击载荷时的破坏成功地获得了不同时间模型的损伤结果。宋广舒切割接头由钛合金反击头刀片和一个剪刀。两把单、双钉模型这个改进的Tserpes成为一种误差准则它是讨论了牵引和挤压条件下的四种失效类型；Bogdanovich A E等提出了一种新的三维织物复合材料损伤递进模型，该模型采用最大载荷准则来降低过时单元的刚度。这是模型非常重要，因为我们可以改变相应的材料失效准则，将其应用于更复杂的模型结构，从某种程度上来上说，这个模型具有一定的普适性。Lomov S V等详细介绍了微体单元模型的概念和微体单元模型的建模方法，根据实际情况，采用渐进损伤模型对编织制成的考虑三个方向的正交环氧树脂复合材料进行了牵引仿真，然后并与试验结果Lomov S V等进行了对比，有限元模拟结果与试验结果吻合较好，表明细观模型的确可以正确地预测三维正交机织环氧树脂基复合材料的损伤模式。Tsukrov I等建立了以细观力学为基础的有限元模型，利用这个模型，机器编织的正交的同时考虑三个维度的复合材料和通过堆叠铺层所制成的复合材料的固化诱导微裂纹发展行为都被正确地预判，而且预测结果与CT扫描出的裂纹具有高度的一致性，这表明了此模型的优势;Ansar M等对用于计算三维机器编织制成的复合材料的模型的建模方法做出了细致入微的介绍与概括，包括其几何形状的模型创建、使材料均匀的等效方法以及与模型相匹配的渐进失效准则，并提到了大多数研究都是采用的理想化或不考虑其不均匀性的结构来模拟三维编织材料;Warren K C等建立了基于细观力学的编织制成的考虑三个方向的复合材料有限元模型，对双剪钉模型进行了渐进损伤分析;Warren K C等详细研究了两种不同基于细观力学的有限元模型，并对机械编织的考虑三个方向的复合材料的力学特性进行了研究预测；Vorobiov O等从连续损伤模型出发，在泵循环的基础上，对组织黏合剂镶嵌模型进行损伤分析是的仿真结果与试验结果一致；梁珩等根据ASTM d5766标准，建立了C/C三角形正交组织组合的有限元模型，分析了在拉伸和压力载荷作用下，从损伤开始到最终失效的损伤分布过程及强度预测值；Rashedi A.等在数值分析和实验研究的基础上，提出了纤维增强复合材料层合板的混合断裂准则；基于有限元模拟，首先介绍了一种优化的十字形几何结构。在单轴和弯曲试样上连续进行表征测试，以确定等效加载面积、缺口敏感性行为和临界断裂交叉铺层GFRP层压板的韧性。在实验双轴试验中，研究了两种不同裂纹长度的裂纹扩展(0°，45°)。实验故障点表明，与单轴试验相比，交叉铺层GFRP层压板在双轴拉伸-拉伸载荷下具有更高的承载能力。与十字形相关的合适的无量纲几何因子是根据实验数据点和有限元模拟确定。最后，基于双轴试验载荷的发现，提出了交叉铺层复合材料层合板的混合模式断裂准则。Fabrizio Greco等从理论和数值上分析了复合材料在双轴应力作用下的压缩误差行为；局部纤维屈曲与基体或纤维/基体界面微裂纹的耦合效应在单边自接触情况下，通过采用原始的全有限变形方法进行分析。所获得的唯一性和稳定性条件与微观平衡问题的连续速率公式包含由裂纹界面自接触机制产生的异常非线性贡献，然后以创新的方式研究其对不稳定性和分叉开始时宏观临界载荷的精确评估的重要性。为此，通过使用非线性有限元模型和分析发展，复合材料破坏区域被确定为径向宏观加载路径，范围从双轴压缩到轴向压缩和侧向膨胀的组合，以及不同的微观几何参数。与采用简化裂纹接触界面方法时获得的稳定性和唯一性域的比较表明，上述裂纹界面贡献对于复合材料实体真实失效行为的真实预测具有显著作用。

1.3 本文研究工作

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