基于ABAQUS复合材料层合板渐进损伤有限元分析

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导师姓名
赵贵哲
学科专业
材料学
文献出处
中北大学   2015年
关键词
复合材料层合板论文  内聚力单元论文  三点弯曲论文  有限元模拟论文  渐进损伤论文
论文摘要

复合材料凭借其高比强度和比模量、可设计性显著、材料与结构具有同一性等优异的性能,广泛应用于航空航天、汽车工业、能源工程、风力发电及船舶工业等领域。复合材料在实际的生产制造、使用和维护过程中,常常会受到外力载荷的作用。由于复合材料层间剪切强度相对较弱,层合板材料结构的损伤阻抗和层间强度较差,所以会常常形成一些目视不可见的不易察觉的层内或层间内部损伤,如基体开裂,纤维断裂以及层间分层等失效模式。这些不易察觉的内部损伤使得复合材料结构的力学性能严重退化,严重降低了结构的强度和使用寿命,带来了潜在的安全隐患,在一定程度上制约了纤维增强树脂基复合材料的应用。因此,研究复合材料在外力载荷下的变形和损伤等机理,对于复合材料结构设计及提高复合材料结构的抗外力损伤性能具有重要的研究意义。本文首先利用大型商用有限元分析软件ABAQUS/Explicit,基于Hashin失效准则和内聚力单元,建立了复合材料层合板渐进损伤有限元分析模型,同时通过实验测试玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料单向板的基础性能,得到了ABAQUS分析所需基础参数。然后考虑了网格密度及其单元损伤退化参数的影响作用,优化了模型。基于优化的有限元模型,本文得到了复合材料层合板在三点弯曲载荷作用下层内失效与层间分层失效的起始与扩展过程。通过模拟研究表明:90°铺层主要的失效模式为基体拉伸失效和基体压缩失效,0°铺层主要失效模式为纤维拉伸失效与纤维压缩失效,基体拉伸与纤维拉伸失效模式主要集中在层合板下层位置,基体压缩与纤维压缩失效则主要集中在层合板上层位置,而且基体失效模式要先于纤维失效模式,但是纤维失效模式占层合板失效主导地位;层合板最下层最容易发生分层,而且扩展速度快。

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摘要

Abstracts

第一章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.1.1 课题研究背景

1.1.2 课题研究意义

1.2 复合材料渐进损伤行为的国内外研究进展

1.2.1 细观力学方法

1.2.2 宏观力学方法

1.3 ABAQUS 软件简介

1.3.1 ABAQUS 的组成与分析步骤

1.3.2 材料非线性问题在 ABAQUS 软件中的处理

1.4 本文研究内容

第二章 复合材料层合板渐进损伤理论

2.1 各向异性材料本构模型

2.2 单层板应力应变关系

2.3 经典层合板理论

2.4 复合材料单层板失效准则

2.4.1 面内损伤失效准则

2.4.2 层间损伤失效准则

2.5 材料退化方案

2.6 渐进损伤分析方法

2.7 小结

第三章 ABAQUS 用层合板基础参数确定

3.1 实验原材料及仪器

3.2 基础参数的概括

3.3 玻璃纤维/环氧树脂复合材料层合板的制作

3.4 复合材料基础性能测试

3.4.1 层合板拉伸试验

3.4.2 层合板层间剪切试验

3.4.3 层合板的压缩试验

3.4.4 泊松比测试

3.4.5 复合材料层间损伤 I、II 型断裂韧性测试

3.5 小结

第四章 层合板层内失效行为的有限元分析

4.1 模拟策略

4.1.1 模型的建立

4.1.2 材料性能的定义

4.1.3 装配、分析步的确定

4.1.4 约束和加载

4.1.5 网格的划分

4.2 影响因素研究

4.2.1 不同网格密度的影响研究

4.2.2 单元损伤参数的影响研究

4.3 不同方向的应力关系研究

4.3.1 层合板纵向应力变化规律研究

4.3.2 层合板横向应力变化规律研究

4.4 损伤起始与扩展研究

4.4.1 纤维压缩失效

4.4.2 纤维拉伸失效

4.4.3 基体压缩失效

4.4.4 基体拉伸失效

4.5 小结

第五章 层合板层间分层行为的有限元分析

5.1 模拟策略

5.1.1 模型的建立

5.1.2 材料性能定义

5.1.3 装配、分析步的确定

5.1.4 约束和加载

5.1.5 网格的划分

5.2 影响因素研究

5.2.1 不同网格密度的影响研究

5.2.2 单元损伤参数的影响研究

5.3 损伤起始与扩展研究

5.4 不同跨厚比的影响研究

5.5 小结

第六章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

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