為有效反映復合材料層合板層間相互作用和材料損傷非線性,建立了中等尺度的三維復合材料層合板漸進損傷分析模型。非線性漸進損傷分析過程包括應力求解、材料損傷失效判據及材料性能退化方案3個方面。討論了損傷材料性能退化方案,引入與材料損傷模式相對應的損傷變量表征材料點的損傷狀態,材料的剛度矩陣按損傷變量退化。基于該模型可成功預測復合材料層合板損傷起始、擴展直至*終失效的整個過程和極限強度。**獻試驗數據驗證,12種不同鋪層順序層合板的計算強度與試驗數據均吻合較好,表明該模型在復合材料層合板極限強度預測上的有效性。 先進復合材料結構因其高強度、高模量、可設計性強等優點已廣泛應用于航空航天等工業領域。但纖維增強復合材料結構鋪層設計的靈活性為結構 的應力計算、變形分析以及強度預測帶來額外的復雜性。同時,絕大多數纖維增強復合材料層合板表現為脆性失效,完全破壞前沒有明顯的塑性變形,并且在首層失效后仍能繼續承受更大的載荷。復合材料層合板的這些特點決定了建立有效的復合材料層合板分析模型的重要性。
鋪層之間的相互作用。后來,研究人員建立了復合材料層合板螺栓連接的漸進損傷分析模型,采用三維有限元進行應力求解。Apalak等建立了復合材料層合板的膠粘搭接漸進損傷分析模型,也是采用三維有限元法進行應力求解。McCarthy采用ABAQUS軟件中的三維實體單元進行應力求解。王丹勇、張爽和Apalak的分析模型中對復合材料層合板采用ANSYS軟件中的八節點三維層狀體單元進行應力求解。應力求解后,需根據基于應力的失效準則判斷材料積分點的損傷狀態。現有漸進損傷分析模型中的損傷分析主要采用可以區分破壞模式的失效準則、如應力準則、Hashin準則]、Chang準則、Puck準則LaRC04準則[14]等。當材料積分點發生損傷后,需對材料屬性進行退化。大多數復合材料結構漸進損傷分析中的材料屬性退化方案是根據材料失效模式對材料彈性常數進行直接折減 ,由于折減系數 多為經驗數據,不恰當的折減系數可能造成剛度矩陣計算的奇異性。另外,一些模型中采用連續損傷力學中的損傷狀態變量表征材料損傷狀態,并對材料積分點的剛度矩陣進行退化。不同損傷模式采用不同狀態變量表示。損傷狀態變量由材料屬性確定,但相應材料屬性不易測得。 隨著計算機性能的不斷提高,為了更加詳細地研究復合材料層合板的損傷累積和失效過程,本文中建立了中等尺度層合板的三維漸進損傷有限元分析模型。首先,按層合板的鋪層順序建立每一鋪層的三維有限元模型,這樣層合板的應力分析可以考慮各鋪層之間的相互作用。其次,材料失效分析中采用工程中普遍采用的三維Hashin準則,可以較好地預測層合板的破壞模式。*后,對于纖維增強復合材料損傷累積引起的材料非線性,損傷材料退化模型采用連續損傷力學中的損傷狀態變量對損傷材料點的剛度矩陣進行退化,損傷狀態變量為固定值,這樣既可以避免剛度矩陣的奇異性,又可以減小所需材料屬性的數量。本文中基于ABAQUS軟件的用戶材料子程序UMAT,建立了該三維漸進損傷分析模型,針對12個不同鋪層順序和圓孔直徑的層合板試件,計算了其靜拉伸極限強度并詳細給出了典型層合板試件的損傷擴展過程,預測強度與試驗數據均吻合較好,說明了本文模型用于層合板損傷和強度預測的有效性。