复合材料层合板低速冲击损伤分析的连续介质损伤力学模型

针对复合材料层合板低速冲击损伤问题,提出了一种各向异性材料连续介质损伤力学模型,模型涵盖损伤表征、损伤起始判定和损伤演化法则3 个方面. 通过材料断裂面坐标下的损伤状态变量矩阵完成损伤表征,并考虑断裂面角度的影响,建立了主轴坐标系下的材料损伤本构关系. 损伤起始由卜克(Puck) 失效准则预测,损伤演化由断裂面上的等效应变控制,服从基于材料应变能释放的线性软化行为. 模型区分了纤维损伤和基体损伤,并根据冲击载荷下层内产生多条基体裂纹继而扩展至界面形成层间裂纹(分层) 的试验观察,引入基体裂纹饱和密度参数表征层间分层. 以[0₃/45/-45]_S 和[45/0/-45/90]_4S 两种铺层的复合材料层合板为例,预测了不同冲击能量下复合材料层合板的低速冲击损伤响应参数,试验结果证明了连续介质损伤力学模型的有效性.模型在不同网格密度下的计算结果表明单元特征长度的引入可以在一定程度上降低损伤演化阶段对网格密度的依赖性.      

纤维/金属网增强层板低速冲击损伤机理和演化

本文首先通过落锤低速冲击实验测试了纯玻璃纤维增强环氧树脂复合材料和304不锈钢丝网(SSWM)/玻璃纤维混杂复合材料的力学性能，探究了SSWM嵌入数量对混杂复合材料抗冲击性能的影响．随后采用Abaqus有限元软件建立了混杂复合材料的低速冲击模型，分别采用三维Hashin失效准则和Jason-Cook破坏准则模拟了纤维/基体和SSWM的损伤；建立了基于表面接触的内聚力模型来模拟界面分层；编写了VUMAT用户子程序定义混杂复合材料层合板的渐进失效过程．结果表明：相较于纯玻璃纤维增强环氧树脂层合板，SSWM/玻璃纤维混杂增强环氧树脂层合板的抗冲击性能更优，其中铺层形式为铺层III的混杂复合材料抗冲击性能最佳．通过对比发现有限元仿真结果与实验结果吻合良好，表明建立的模型适用于SSWM/玻璃纤维混杂增强环氧树脂复合材料低速冲击损伤的评估．通过分析仿真结果发现混杂复合材料的低速冲击损伤主要是冲击区域的纤维断裂、基体破坏和层间分层；SSWM通过吸收和传递冲击能量从而提升了混杂复合材料的抗冲击性能．     

复合材料层合板面内渐进损伤分析的CDM模型

基于连续介质损伤力学,提出了一个预测复合材料层合板面内渐进损伤分析的模型,它包括损伤表征、损伤判定和损伤演化3 部分. 模型能够区分纤维拉伸断裂、纤维压缩断裂、纤维间拉伸损伤和纤维间压缩损伤4 种损伤模式,定义了与4 个损伤模式对应的损伤状态变量,导出了材料主轴系下损伤前后材料本构之间的关系. 损伤起始采用Puck 准则判定,损伤演化由特征长度内应变能释放密度控制. 假定材料服从线性应变软化行为,建立了损伤状态变量关于断裂面上等效应变的渐进损伤演化法则. 模型涵盖了复合材料面内损伤起始、演化直至最终失效的全过程. 完成了含孔[45/0/-45/90]_2S 层合板在拉伸和压缩载荷下失效分析,结果表明该模型能合理进行层合板的强度预测和损伤失效分析.      

含分层损伤复合材料层合板剩余压缩强度研究

准确预测含分层损伤层合板的剩余压缩强度,对复合材料具有十分重要 意义。本文基于层合板一阶剪切理论,建立了一种考虑复合材料多种损伤的含分层层合板刚度退化模型,通过数值算例分析了分层屈曲临界载荷与材料强度极限的关系以及刚度退化对含分层层合板前后屈曲行为的影响。     

热塑性AS4／PEEK层合板基体损伤的实验研究

本文将长距离显微云纹干涉方法与显微放大技术相结合,在轴向拉伸载荷下,对AS4/PEEK[0/±45/90]2S层合板层间变形、纤维-基体脱粘和基体裂纹进行了从小变形到大变形直至分层损伤的全过程实时、定量的细观变形测量分析.实验表明:AS4/PEEK[0/±45/90]2S层合板亚临界损伤的主要特征,是中间90°/90°层基体中出现具有一定间隔的基体裂纹群.初步探讨了热塑性复合材料AS4/PEEK层合板基体的非弹性变形和损伤过程的一些基本特征.     

宏微观渐进展开损伤本构模型及其在碳纤维增强复合材料中的应用

基体开裂、纤维拔出、界面剥离等是碳纤维增强复合材料常出现的局部各向异性损伤现象,这些损伤逐渐扩展,削弱了材料的强度和刚度,影响材料的承载能力.对此利用宏微观摄动理论对位移进行双范围渐进展开,在微观位移中引入损伤应变,通过计算损伤应变集中因子,得到了含损伤的均质化损伤弹性常数(宏观有效刚度矩阵),用平均法和混合法检验了无...     

复合材料层合板面内渐进损伤分析的CDM模型简

基于连续介质损伤力学,提出了一个预测复合材料层合板面内渐进损伤分析的模型,它包括损伤表征、损伤判定和损伤演化3 部分. 模型能够区分纤维拉伸断裂、纤维压缩断裂、纤维间拉伸损伤和纤维间压缩损伤4 种损伤模式,定义了与4 个损伤模式对应的损伤状态变量,导出了材料主轴系下损伤前后材料本构之间的关系. 损伤起始采用Puck 准则判定,损伤演化由特征长度内应变能释放密度控制. 假定材料服从线性应变软化行为,建立了损伤状态变量关于断裂面上等效应变的渐进损伤演化法则. 模型涵盖了复合材料面内损伤起始、演化直至最终失效的全过程. 完成了含孔[45/0/-45/90]_2S 层合板在拉伸和压缩载荷下失效分析,结果表明该模型能合理进行层合板的强度预测和损伤失效分析.     

碳纳米管/碳纤维增强复合材料层合板低速冲击响应和破坏的数值模拟

碳纳米管/碳纤维增强复合材料（carbon nanotube/carbon fibre reinforced plastic,CNT/CFRP）是一种多尺度复合材料,比传统CFRP有更好的综合性能和更广阔的应用前景。对CNT/CFRP在低速冲击下的响应和破坏进行了数值模拟研究。首先,基于先前的研究通过引入基体增韧因子、残余强度因子并改进损伤耦合方程,建立了新的FRP动态渐进损伤模型;然后,利用新建立的本构模型并结合黏结层损伤模型,对4种碳纳米管含量的增韧碳纤维增强树脂基复合材料层合板在5个能量下的冲击实验进行了数值模拟;最后,将模拟结果与文献中的相关实验结果进行了比较,并讨论了冲击速度的影响。结果表明:新建立的FRP本构模型能够预测CNT/CFRP层合板在低速冲击载荷作用下的响应、破坏过程和分层形貌,模拟得到的载荷-位移曲线和破坏形貌与实验吻合较好;冲击速度会影响CNT/CFRP层合板拉伸和压缩破坏的比例,相同的冲击能量下,更大的冲击速度会造成更多的拉伸破坏。     

基于渐进均匀化的平纹编织复合材料低速冲击多尺度方法

针对平纹编织复合材料低速冲击响应和损伤问题,提出了一种多尺度分析方法. 首先, 建立微观尺度单胞模型,引入周期性边界条件,采用最大主应力失效准则和直接刚度退化模型表征纤维丝和基体的损伤起始与演化,预测了纤维束的弹性性能和强度性能. 其次,将这些性能参数代入介观尺度单胞模型,基于Hashin和Hou的混合失效准则以及连续介质损伤模型对介观尺度单胞进行6种边界条件下的渐进损伤模拟.然后采用渐进均匀化方法,以介观尺度单胞为媒介预测了0$^\circ$和90$^\circ$子胞的性能参数,并建立平纹编织复合材料的子胞模型,进而扩展成为材料的宏观尺度低速冲击模型. 在此基础上,研究了平纹编织复合材料低速冲击下的力学响应与损伤特征.结果表明:宏观冲击仿真和试验吻合较好, 验证了多尺度方法的正确性;最大接触力、材料吸能和分层面积均随冲击能量的增大而增大,分层损伤轮廓逐渐从椭圆形向圆形转化;基体拉伸和压缩损伤的长轴方向分别与子胞材料主方向正交和一致,损伤面积前者远大于后者.      

基体开裂的正交复合材料对称层合板的粘弹性力学行为

本文讨论了含有均匀基体裂纹的正交复合材料对称层合板的线性粘弹性力学行为.采用二维剪切滞后模型并对其层间剪应力在厚度方向进行线性假设分布,求得层合板的平均应力应变的线弹性解,利用等效约束模型和经典层合理论可得到层合板因为含有基体裂纹而所引起的刚度退化现象.在弹性-粘弹性对应原理的基础上对其层合板的线粘弹性进行了讨论和研究.结果表明:层合板的松弛模量和蠕变泊松比随着时间的增加而减少,到达稳态后其值基本上是恒值.并跟Zocher的解析解和有限元数值解作了比较,发现结果非常吻合.     

An experimental and analytical treatment of matrix cracking in cross-ply laminates

The development of damage in cross-ply Hercules AS4/3502 graphite/epoxy laminates has been investigated. Specific endeavors were to identify the mechanisms for initiation and growth of matrix cracks and to determine the effect of matrix cracking on the stiffness loss in cross-ply laminates. Two types of matrix cracks were identified. These include both straight and curved cracks. The experimental study of matrix crack damage revealed that the curved cracks formed after the straight cracks and followed a repeatable pattern of location and orientation relative to the straight cracks. Therefore, it was postulated that the growth mechanism for curved cracks is driven by the stress state resulting from the formation of the straight cracks. This phenomenon was analytically investigated by a finite-element model of straight cracks in a cross-ply laminate. The finite-element results provide supporting evidence for the postulated growth mechanism. The experimental study also revealed that the number of curved cracks increased with the number of consecutive 90-deg plies. Finally, experimental results show as much as 10-percent degradation in axial stiffness due to matrix cracking in cross-ply graphite/epoxy laminates.     

Mechanisms of Internal Damage and Their Effect on the Behavior and Properties of Cross-Ply Composite Laminates

This paper is a review of experimental and theoretical studies into the damage mechanisms in glass/epoxy and carbon/epoxy cross-ply composite laminates subjected to static or cyclic loading and their influence on the behavior and stiffness properties of such laminates. How the equivalent-constraint model is applied to the analysis of cross-ply laminates with transverse and longitudinal matrix cracks and crack-tip delaminations is shown and discussed.     

基于均匀荷载面曲率的简支裂纹梁损伤识别

为了采用模态参数对结构裂纹进行定位与定量,基于集中柔度模型,采用无质量的扭转弹簧模拟裂纹,建立简支裂纹梁的振动微分方程。针对现有柔度曲率指标仅能判断裂纹的大致范围,基于线性插值理论,建立裂纹位置与相邻测点均匀荷载面曲率差的关系,提出裂纹进一步定位公式,实现裂纹位置的精确定位。针对现有大多数损伤识别方法无法实现裂纹的损伤定量,基于位移曲率与结构刚度和弯矩的关系,理论推导了均匀荷载面曲率的结构刚度损伤程度识别方法,基于弹簧串联原理和线刚度思想,首次提出串联等效线刚度模型,建立裂纹深度与均匀荷载面曲率的关系,实现裂纹深度的定量。通过简支裂纹梁数值算例,考虑多裂纹的损伤情况,验证了新方法对裂纹定位与定量的有效性。     

复合材料层板分层伴以横向裂纹扩展的三维有限元分析

本文采用三维有限元模型,对典型铺设的[0_2/±45_2/90_2]_s碳/环氧复合材料层板中分层伴以横向裂纹的产生和扩展导致的层间应力分布进行了分析。计算结果表明层间裂纹首先在90°层中部出现并开裂至相邻界面处而产生横向裂纹,横向裂纹的出现引起局部分层按三角形状扩展;并指出分层损伤过程是一个主导性的稳定扩展过程,这是导致刚度下降的主要因素。最后,数值计算结果与实验结果比较,两者是吻合的。     

Cohesive modeling of transverse cracking in laminates under in-plane loading with a single layer of elements per ply

This study aims to bridge the gap between classical understanding of transverse cracking in cross-ply laminates and recent computational methods for the modeling of progressive laminate failure. Specifically, the study investigates under what conditions a finite element model with cohesive X-FEM cracks can reproduce the in situ effect for the ply strength. It is shown that it is possible to do so with a single element across the thickness of the ply, provided that the interface stiffness is properly selected. The optimal value for this interface stiffness is derived with an analytical shear lag model. It is also shown that, when the appropriate statistical variation of properties has been applied, models with a single element through the thickness of a ply can predict the density of transverse matrix cracks.     

Application of microline/grid methods to temperature dependent microscopic deformation and damage in CFRP laminates

Tensile tests of CFRP symmetric cross-ply laminates are carried out in a scanning electron microscope (SEM), and microscopic interlaminar deformation and damage near the transverse crack tip are visualized by microlines or microgrids printed on the specimen edge surface. The local deformation around the transverse crack tip is observed at 20°C, 80°C, 120°C and 160°C to evaluate the effect of thermal residual stress on the microscopic deformation and damage in the interlaminar region near the transverse crack tip. Temperature dependence of the axial crack opening displacement (COD) is also measured. The displacement field of the specimen edge surface obtained from these experimental results is compared with the theoretical model proposed by Lee, Allen and Harris. The analysis is modified to consider the temperature effect, and a good agreement is obtained between the modified theoretical predictions and experimental results.     

颗粒缺陷相互作用下复合材料的细观损伤模型

含尖角的非椭球颗粒附近应力集中较大,诱导缺陷形成裂纹是材料损伤的重要来源.对于强界面颗粒,大刚度颗粒诱导裂纹向基体中扩展形成近似平面片状裂纹,认为诱导裂纹受颗粒应力附近应力场控制,基于有效自洽理论建立了材料细观损伤模型,得到了单向拉伸下的损伤演化,并分析了颗粒形状、尺寸、颗粒性能以及颗粒与初始缺陷相对位置等因素对材料损伤的影响.结果表明,非椭球颗粒更易诱发裂纹,同样外载应力下,损伤程度更大,含非椭球颗粒材料强度更低;含扁平型的颗粒材料裂纹损伤过程更加明显并且材料强度更大;提高颗粒刚度和含量能够增大材料强度.材料中存在尺寸过大或过小的初始裂纹时材料损伤过程不明显.