摘 要

现今，复合材料的应用日渐广泛，然而，在现实工程中，复合材料层合板在使用中经常需要开孔，含孔的复合材料构件在工作状态下往往处于多轴应力状态，孔周会出现复杂的破坏形式，导致结构的承载能力下降。目前，关于这方面的研究主要有两个方面，一方面是对含孔复合材料层合板在单向荷载作用下的研究，另一方面是对复合材料层合板在双向载荷下的研究，而有关开孔复合材料层合板在双向载荷作用下破坏行为的研究十分缺乏，因此需对含孔复合材料层合板在双向载荷作用下的力学性能进行深入的研究。本文采用数值分析的方法，建立了三种不同铺层结构的有限元模型，并对每种模型在不同加载比下的破坏行为进行了数值分析，分析了铺层结构和加载比等因素对其破坏机制的影响，结果表明：对正交铺层结构，损伤是从开孔处开始的，对[0/45/90/-45]_2s铺层结构，损伤是从加载臂的受力端开始的，对[0/45/-45/90]_2s，损伤是从加载臂的开缝圆周处开始的；纤维的拉伸损伤主要沿纤维方向发展，而基体的拉伸损伤主要沿垂直于纤维方向发展；在非

等双轴加载下，纤维的破坏出现在主拉层的纤维方向的加载臂上，在等双轴加载下，纤维的破坏出现在0°层和90°层的两个加载臂上；45°层的加入对试样的拉伸强度有一定的增强作用。

关键词：开孔层合板；双轴拉伸；十字形试样；破坏行为；数值模拟

Abstract

Nowadays, the application of composite materials is becoming more and more extensive. However, in practical engineering, composite laminates often need to be perforated, and composite components with holes are often in the state of multiaxial stress. The complex failure forms around the hole lead to the decrease of the bearing capacity of the structure. At present, there are two main aspects of this research, one is the study of composite laminated plates with open-holes under unidirectional load, the other is the study of composite laminated plates under bidirectional load. However, the research on the failure behavior of composite laminated plates with open-hole under biaxial loading is very scarce, therefore,the mechanical properties of composite laminated plates with open-hole under biaxial loading should be studied deeply.In this paper, three finite element models of different layer-structure are established by numerical simulation, and the failure behavior of each model under different loading ratio is analyzed numerically. In this paper, the influence of layer structure and loading ratio on the failure mechanism is analyzed. The results show that the damage begins at the hole for the [0/90]_4s layer structure, and for the [0/45/90/-45]_2s layer structure, the damage begins at the loading end of the loading arm. For [0/45/-45/90]_2s, the damage starts at the circumference of the slot in the loaded arm. The tensile damage of fiber mainly develops along the direction of fiber, while the tensile damage of matrix mainly develops in the direction of perpendicular to fiber.Under non equal biaxial loading, the destruction of the fiber appears on the loading arm in the direction of the fiber in the main tensile layer, and under the equal biaxial loading, Fiber damage occurs on two loading arms in 0° and 90° layers.The tensile strength of the specimens was strengthened by the addition of 45° layer.

Key Words: laminated plate with open-hole; biaxial tension; cruciform specimen; failure behavior; numerical simulation

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 含孔复合材料层合板在单轴载荷下的研究现状 2

1.2.2 复合材料层合板在双轴载荷下的研究现状 2

1.2.3 复合材料损伤和破坏准则的研究现状 3

1.3 本文的主要研究工作 4

1.4 预期目标 4

第2章 含孔复合材料双轴拉伸数值模型的建立 5

2.1 失效准则和损伤演化准则 5

2.1.1 损伤初始化 5

2.1.2 损伤演化 6

2.1.3 粘性阻力 7

2.1.4 单元处理 7

2.2 有限元模型 7

2.3 本章小结 9

第3章 不同铺层结构的含孔复合材料双向拉伸破坏行为及分析 10

3.1 [0/90]_4s铺层结构 10

3.1.1 3/1加载比下的损伤破坏分析 10

3.1.2 2/1加载比下的损伤破坏分析 11

3.1.3 1/1加载比下的损伤破坏分析 14

3.2 [0/45/90/-45]_2s铺层结构 18

3.2.1 3/1加载比下的损伤破坏分析 18

3.2.2 2/1加载比下的损伤破坏分析 19

3.2.3 1/1加载比下的损伤破坏分析 21

3.3 [0/45/-45/90]_2s铺层结构 23

3.3.1 3/1加载比下的损伤破坏分析 23

3.3.2 2/1加载比下的损伤破坏分析 25

3.3.3 1/1加载比下的损伤破坏分析 26

3.4 不同铺层结构的含孔复合材料双向拉伸强度包络线 29

3.5 本章小结 30

第4章 结论与展望 31

4.1 主要结论 31

4.2 工作展望 31

参考文献 32

致谢 35

1. 绪论

研究背景及意义

与传统金属材料相比，现代复合材料具有比强度高、比刚度大、疲劳性能好、耐高温、抗腐蚀、材料的力学性能设计性强等许多优异的力学特性和化学特性，近年来被广泛应用于飞机、汽车和船舶结构等领域，因此，纤维增强复合材料成为目前研究的热点。

按照不同的使用性能，一般来说，复合材料分为结构复合材料和功能复合材料两类。结构复合材料主要利用复合材料的各种良好力学性能，由增强材料和基体材料两种组分组成，其中增强材料主要是提供强度和刚度，承受主要载荷，控制力学性能，而基体材料则用于固定和保护增强材料，传递纤维之间的剪力，防止纤维的屈曲以及改善复合材料的某些性能。功能复合材料除了利用力学性能外，还可以提供其他物理性能（声、光、热、电、磁等）、部分生物和化学性能，如透光复合材料、仿生复合材料、隐身吸波复合材料等。由于可以充分利用这些力学、物理、化学和生物性能，同时又具有可设计性，复合材料被广泛地应用于航空航天领域。自上世纪60年代起，纤维增强复合材料就开始在航空领域逐渐崭露头角，主要用于飞机零部件的制造，可减重10%到20%左右，不仅可以带来巨大的经济效应，还能大幅提升飞机的飞行性能。到上世纪的80年代时，国外的军用飞机开始大量应用复合材料，制作飞机的机翼和机身，第四代F22战斗机复合材料的重量占整机重量的25%；同一时期，民用飞机也开始尝试应用复合材料，如波音公司的B757、空客公司的A320等。到本世纪，纤维增强复合材料已经成为航空航天领域继铝、钢、钛之后的第四大结构材料。

随着航空航天领域中复合材料结构的大量使用，复合材料的连接是一个不可避免的环节。利用紧固件（螺栓、螺钉、铆钉等）将构件连接起来的机械连接方式，具有抗疲劳能力强、技术可靠、便于检修等优点，成为现代飞行器制造中的主要连接方式。而采用这种机械连接方式就必须对复合材料进行开孔，对于复合材料来说，开孔不仅破坏了纤维的整体连续性，降低了构件的强度，同时在孔周围会产生十分严重的应力集中现象，从而降低了复合材料结构的强度和寿命。开孔的复合材料结构在服役时，也往往处于双轴应力、三轴应力等复杂的应力状态之下，使得含孔复合材料的失效模式和破坏机制变得更为复杂，为了保证纤维增强复合材料在工程结构应用中具有更好的性能，对含孔复合材料层合板双向拉伸失效行为的数值分析的研究具有至关重要的意义。

1.2 国内外研究现状

据统计，飞行器结构有70%以上的破坏都发生在其连接处。因此，为提高复合材料结构的承载能力和耐久性，需要对含孔复合材料结构在不同载荷状态下的承载能力和破坏行为进行深入研究。

1.2.1 含孔复合材料层合板在单轴载荷下的研究现状

到目前为止，国内外的研究者采用多种方法对含孔复合材料层合板在单向荷载作用下的强度和破坏进行了研究。姚辽军等通过理论计算和数值计算的方法研究了孔径的大小、铺层结构对复合材料层合板强度的影响。马子广等通过实验的方法研究了铺层角对层合板力学性能的影响，结果表明0°方向的铺层越多，材料的抗拉性能就会越强，0°铺层的抗拉性能明显比45°铺层的抗拉性能强。邱家波等通过实验研究，并用数值模拟进行对比，研究了开孔复合材料层合板的拉伸强度和破坏机制，结果表明在轴向拉伸载荷的作用下，纤维拉伸破坏导致了0°铺层正交板的破坏，纤维拉伸破坏和基体拉伸剪切破坏共同导致了45°铺层的破坏，基体压缩破坏导致了0°铺层单向板的破坏，基体拉伸剪切破坏导致了45°铺层的破坏。Lee和Soutis通过实验研究了层合板的厚度对开孔层合板压缩性能的影响，结果表明：增加单层的厚度会使开孔层合板的压缩破坏机制发生改变。Xu等和Li等应用内聚力单元来模拟纵向劈裂和层间脱层，分别对中心含裂缝层合板拉伸尺寸效应和紧凑拉伸进行了研究。Lagace对三种不同铺层的开孔碳纤维/环氧树脂基复合材料层合板进行了单轴拉伸实验，通过改变孔径大小发现：减小孔径会使[0/90₂]_s层合板的主要失效机制从纤维破坏转变成基体破坏。Pierron F等通过实验的方法，对[-45₄/90₄/45₄/0₄]_s和[-45/90/45/0]_4s两种不同铺层结构的开孔玻璃纤维层合板的破坏进行了研究，使用DIC采集样品表面的应变云图和破坏的过程，实验结果表明，对于这两种铺层结构，裂纹都沿90°方向萌生、扩展，而且后者的极限承载能力更大。

1.2.2 复合材料层合板在双轴载荷下的研究现状

在工程应用中，单轴加载下的工况已不能准确地反映实际结构中的复杂应力状态，因此复合材料在双轴加载下的力学性能也受到了广泛关注。国内外学者也对复合材料层合板在双向载荷下的破坏行为分析进行了大量的研究。岳文霞通过理论计算的方法研究了正交层合板在双向拉伸作用下，0°和90°层横向基体同时开裂的问题。付求舟等通过理论计算与实验验证的方法，对双向拉伸条件下，复合材料层合板的破坏行为及强度包络线进行了研究，结果表明：实验所得包络线与理论计算绘制的包络线拟合度较好。蔡登安等通过实验研究了双向玻纤织物复合材料在复杂应力状态下的力学性能，结果表明，双轴拉伸载荷在一定程度上强化了材料的拉伸模量，材料的双轴拉伸强度存在双向弱化效应。Jeffry等以及A. Smits等通过一系列双轴实验对十字形试样作了研究，确定了用双轴实验测定复合材料双轴强度的最优几何构型。A. Rashedi等通过实验的方法对玻璃纤维层合板在双轴荷载作用下的断裂进行了研究，结果表明玻璃纤维正交层合板在双轴拉伸荷载下的承载力比在单轴拉伸情况下的承载力更高，并提出了一种混合型断裂准则。

1.2.3 复合材料损伤和破坏准则的研究现状

Maa R H等提出了基于连续损伤力学的三维失效模型，可以很好地模拟出开孔纤维增强复合材料层合板的单轴拉伸过程。崔海涛等对二维Hashin失效准则中的极限强度进行了修改，让极限强度能够随着破坏增加自行修正，并采用改进的Hashin准则模拟了T300/KH304含孔复合材料层合板在拉伸载荷下的破坏过程。黎增山等对于开孔的纤维增强复合材料层合板的单轴拉伸，采用了Hashin-Rotem失效准则和内聚力模型，建立了三维失效模型，数值分析的结果与Hallett Stephen R的实验数据吻合较好。陈秀华等采用非线性渐进失效理论和三维Hashin失效准则建立了三维失效模型，仅使用二维有限元模型就能解决复合材料的厚板问题。HU等在Lin和HU提出的混合失效准则的基础上，综合考虑了层合板的层内和层间损伤，采用材料弹塑性本构模型和Tasi-Wu失效准则、最大主应力失效准则建立了适合双轴载荷下的三维破坏模型，计算了不同铺层的方形层合板在双轴载荷下的极限破坏强度，与soden等采用±55°缠绕铺层的玻璃纤维管状试样进行双轴实验测得的结果进行了对比，获得较为合理、精确的双轴载荷强度值。

目前，许多破坏准则及理论被用于预测复合材料的损伤破坏、渐进失效特性，以及极限破坏强度。现在广泛运用于复合材料研究的破坏准则，主要有maximum strss criteria、Hashin、Yamada-Sun、Tsai-Hill、Tsai-Wu准则等。这些准则都是根据复合材料不同的破坏模式，例如基体开裂、纤维断裂等，基于应力或应变得到的准则。

随着复合材料的广泛应用，在实际的工程中复合材料结构往往处于多轴应力状态下，孔周在复杂应力状态下的破坏机制更加复杂，为此对含孔复合材料在双轴载荷下的力学行为进行研究具有重要意义。但有关开孔板在双向载荷作用下破坏行为的研究十分缺乏，因此对含孔复合材料层合板双向拉伸失效行为进行数值分析，并与文献或实验的数据进行对比，有利于更好地了解其失效模式和破坏机制，以便更好地应用于工程结构中。

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