为有效反映复合材料层合板层间相互作用和材料损伤非线性,建立了中等尺度的三维复合材料层合板渐进损伤分析模型。非线性渐进损伤分析过程包括应力求解、材料损伤失效判据及材料性能退化方案3个方面。讨论了损伤材料性能退化方案,引入与材料损伤模式相对应的损伤变量表征材料点的损伤状态,材料的刚度矩阵按损伤变量退化。基于该模型可成功预测复合材料层合板损伤起始、扩展直至*终失效的整个过程和极限强度。**献试验数据验证,12种不同铺层顺序层合板的计算强度与试验数据均吻合较好,表明该模型在复合材料层合板极限强度预测上的有效性。 先进复合材料结构因其高强度、高模量、可设计性强等优点已广泛应用于航空航天等工业领域。但纤维增强复合材料结构铺层设计的灵活性为结构 的应力计算、变形分析以及强度预测带来额外的复杂性。同时,绝大多数纤维增强复合材料层合板表现为脆性失效,完全破坏前没有明显的塑性变形,并且在首层失效后仍能继续承受更大的载荷。复合材料层合板的这些特点决定了建立有效的复合材料层合板分析模型的重要性。
铺层之间的相互作用。后来,研究人员建立了复合材料层合板螺栓连接的渐进损伤分析模型,采用三维有限元进行应力求解。Apalak等建立了复合材料层合板的胶粘搭接渐进损伤分析模型,也是采用三维有限元法进行应力求解。McCarthy采用ABAQUS软件中的三维实体单元进行应力求解。王丹勇、张爽和Apalak的分析模型中对复合材料层合板采用ANSYS软件中的八节点三维层状体单元进行应力求解。应力求解后,需根据基于应力的失效准则判断材料积分点的损伤状态。现有渐进损伤分析模型中的损伤分析主要采用可以区分破坏模式的失效准则、如应力准则、Hashin准则]、Chang准则、Puck准则LaRC04准则[14]等。当材料积分点发生损伤后,需对材料属性进行退化。大多数复合材料结构渐进损伤分析中的材料属性退化方案是根据材料失效模式对材料弹性常数进行直接折减 ,由于折减系数 多为经验数据,不恰当的折减系数可能造成刚度矩阵计算的奇异性。另外,一些模型中采用连续损伤力学中的损伤状态变量表征材料损伤状态,并对材料积分点的刚度矩阵进行退化。不同损伤模式采用不同状态变量表示。损伤状态变量由材料属性确定,但相应材料属性不易测得。 随着计算机性能的不断提高,为了更加详细地研究复合材料层合板的损伤累积和失效过程,本文中建立了中等尺度层合板的三维渐进损伤有限元分析模型。首先,按层合板的铺层顺序建立每一铺层的三维有限元模型,这样层合板的应力分析可以考虑各铺层之间的相互作用。其次,材料失效分析中采用工程中普遍采用的三维Hashin准则,可以较好地预测层合板的破坏模式。*后,对于纤维增强复合材料损伤累积引起的材料非线性,损伤材料退化模型采用连续损伤力学中的损伤状态变量对损伤材料点的刚度矩阵进行退化,损伤状态变量为固定值,这样既可以避免刚度矩阵的奇异性,又可以减小所需材料属性的数量。本文中基于ABAQUS软件的用户材料子程序UMAT,建立了该三维渐进损伤分析模型,针对12个不同铺层顺序和圆孔直径的层合板试件,计算了其静拉伸极限强度并详细给出了典型层合板试件的损伤扩展过程,预测强度与试验数据均吻合较好,说明了本文模型用于层合板损伤和强度预测的有效性。