層合復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的粘聚區(qū)擴(kuò)展有限元模型研究

基于粘聚區(qū)模型的擴(kuò)展有限元法是分析層合復(fù)合材料結(jié)構(gòu)失效問題的一種很有前景的方法。目前的研究工作側(cè)重于該模型在界面失效問題的應(yīng)用研究，而對模型本身存在的精度、收斂性問題及層內(nèi)失效、多損傷失效等關(guān)鍵技術(shù)問題缺乏研究。針對這些關(guān)鍵技術(shù)問題，通過理論與試驗研究，完成的主要工作包括：（1）構(gòu)建了基于NURBS曲面的高階擴(kuò)展有限元模型，用于模擬層合復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的層間分層損傷的擴(kuò)展過程，有效地實現(xiàn)了粘聚力分布從粘聚區(qū)到完全失效區(qū)的平滑過渡，增大了粘聚區(qū)模型所需的最小網(wǎng)格尺寸；（2）構(gòu)建了預(yù)測不同鋪層間斷裂韌性的細(xì)觀模型，建立了離位增韌和Z-PIN增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的界面失效分析的試驗與仿真技術(shù)；（3）從復(fù)合材料層內(nèi)損傷失效的細(xì)觀機(jī)理出發(fā)，結(jié)合層內(nèi)損傷的失效判據(jù)，建立了基于層內(nèi)損傷模式的粘聚區(qū)擴(kuò)展有限元模型，該模型不僅可用于模擬層內(nèi)拉伸失效模式，也可用于模擬層內(nèi)壓縮載荷所致的剪切破壞失效模式；（4）根據(jù)復(fù)合材料層內(nèi)損傷與層間損傷相互耦合的細(xì)觀機(jī)理，建立了多損傷耦合的擴(kuò)展有限元模型，并采用該模型對復(fù)合材料加筋壁板的沖擊后軸壓破壞試驗進(jìn)行了仿真，探究了其沖擊失效機(jī)理及沖擊后壓縮損傷擴(kuò)展機(jī)制，為飛機(jī)結(jié)構(gòu)中復(fù)合材料加筋壁板的損傷容限設(shè)計和對比選型提供設(shè)計建議。 2100433B

基于粘聚區(qū)模型的擴(kuò)展有限元法是分析層合復(fù)合材料結(jié)構(gòu)失效問題的一種很有前景的方法。目前的研究工作側(cè)重于該模型在界面失效問題的應(yīng)用研究，而對模型本身存在的精度、收斂性問題以及層內(nèi)失效、多損傷失效的分析問題缺乏基礎(chǔ)研究。存在的主要問題包括：擴(kuò)充形函數(shù)影響仿真精度、收斂性的問題，層間斷裂韌性的預(yù)測問題，層內(nèi)壓縮失效及多損傷耦合問題的擴(kuò)展有限元模擬問題。通過理論與實驗研究，提出解決問題的思路與方法，主要包括：(1) 基于粘聚區(qū)的損傷擴(kuò)展特點,提出一種新的擴(kuò)充形函數(shù)的構(gòu)造方法及應(yīng)變場平滑處理方法；(2) 提出基于分層的細(xì)觀失效機(jī)理的層間斷裂韌性的預(yù)測方法；(3) 根據(jù)壓縮模式下單層板的細(xì)觀失效機(jī)理，提出層內(nèi)壓縮致使的剪切滑移失效的擴(kuò)展有限元模型；(4)通過在位移場中置入耦合項的方式，實現(xiàn)多損傷耦合作用的擴(kuò)展有限元模擬。這些問題的解決為建立基于擴(kuò)展有限元模型的層合復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的失效評估方法奠定理論基礎(chǔ)。

由具有兩種或兩種以上纖維的棍雜層鋪疊而成的復(fù)合材料，基體一般為高聚物，是混雜復(fù)合材料的一種。這種說雜形式義稱八型混雜。混雜層可以是異種纖維編織的織物，由于混雜纖維束制備工藝塹雜，很少采用層內(nèi)混雜復(fù)合材料除具優(yōu)異力學(xué)性能外，特別是由異種纖維間互相分散的程度增大，由此制約的能力增強(qiáng)因而抗裂紋擴(kuò)展性能更好。層內(nèi)混雜復(fù)合材料的成型方法同一單一纖維復(fù)合材料。該種混雜復(fù)合材料的混雜層制作比較繁雜。

聚合物基復(fù)合材料在航空航天、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。其粘彈性力學(xué)行為因受組分比例、微觀結(jié)構(gòu)及其組分間相互作用等因素的影響而變得十分復(fù)雜，是目前該領(lǐng)域研究的熱點和難點。開展該方面的研究，并揭示其不同條件下的應(yīng)力松弛規(guī)律，具有較高的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價值。本項目從復(fù)合材料粘彈性實驗測試入手，建立新的粘彈性表征方法，揭示其應(yīng)力松弛機(jī)理；在通用單胞模型的基礎(chǔ)上，建立一種新的細(xì)觀力學(xué)粘彈性理論模型和相應(yīng)的顯式數(shù)值分析方法，描述復(fù)合材料粘彈性應(yīng)力松弛的一般演化規(guī)律；通過復(fù)合材料和基體材料的粘彈性松弛規(guī)律的對比，建立表征復(fù)合材料粘彈性屬性的逆向反推力學(xué)模型；利用復(fù)合材料應(yīng)力松弛實驗，研究不同工藝制造的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力松弛規(guī)律。通過本項目的研究，期望在復(fù)合材料粘彈性實驗表征方法、細(xì)觀力學(xué)模型、組分粘彈性影響規(guī)律及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)應(yīng)力松弛機(jī)理等方面獲得創(chuàng)新成果，為其在工程中廣泛應(yīng)用提供理論和技術(shù)指導(dǎo)。