纤维增强复合材料混合模式分层破坏数值模拟研究

本研究建立了纤维增强复合材料层合板混合模式弯曲破坏试件有限元模型,采用内聚力模型和黏结单元模拟复合材料界面层的力学行为,对现有复合材料层合板混合模式分层破坏试验进行数值模拟,预测与试验荷载-位移曲线吻合良好。根据已建立的有限元模型,探讨了内聚力模型的材料参数如界面单元刚度、界面破坏强度、断裂能以及单元尺寸、不同材料软化法则和材料破坏准则等对弯曲试件混合模式破坏试验数值模拟准确性和收敛性的影响。结果表明,合理选择单元尺寸可保证数值模拟的精确性;合理选用材料软化法则和界面单元刚度对运算效率提高尤为关键;断裂能取值必须足够准确以获得合理的数值分析结果;界面极限强度的选择对运算结果影响微小。而材料破坏准则的选取对混合模式分层破坏数值模拟运算效率区别明显。研究结果为更有效地使用内聚力模型及黏结单元提供了参考指导作用。有利于工程师在进行复合材料层合板分层失效分析遇到收敛困难时,更好地选择相关参数和准则以保证数值计算的收敛性,精确性和运算效率。

基于率相关三维弹塑性损伤模型的复合材料渐进失效分析

建立了一个同时考虑复合材料非线性力学响应、应变率效应和损伤累积导致材料属性退化的弹塑性三维损伤本构模型。采用改进的塑性力学模型表征材料在动态荷载下的非线性力学行为。为准确预测复合材料在动态荷载下的弹塑性力学响应,引入了率相关放大系数对准静态下的塑性强化函数进行修正。采用“断裂带模型”对已开发的本构模型软化段进行规则化,以减轻有限元分析结果的网格敏感性。采用分区反抛物线插值法对基体损伤初始断裂面角度及纤维扭结/劈裂平面角度进行求解。开发包含数值积分算法的用户材料自定义子程序VUMAT,并嵌于有限元程序ABAQUS V6.14中,对力学行为展现显著非线性力学效应和应变率效应的IM7/8552碳纤维/环氧树脂复合材料层合板进行了渐进失效分析,验证本文提出的材料本构模型的有效性。结果显示,预测结果与已报道的试验结果吻合良好,表明已建立的率相关三维弹塑性损伤本构模型能准确预测此类复合材料层合板的在动态荷载下的力学行为,为复合材料构件及其结构设计提供了一种有效的分析方法。