复合材料层合板疲劳累积损伤数值模拟

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1、硕士学位论文复合材料层合板疲劳累积损伤数值模拟CUMULATIVEFATIGUEDAMAGENUMERICALANALYSISFORCOMPOSITELAMINATES简晓彬哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TB121学校代码：10213国际图书分类号：530密级：公开工学硕士学位论文复合材料层合板疲劳累积损伤数值模拟硕士研究生：简晓彬导师：梁军教授申请学位：工学硕士学科：工程力学所在单位：复合材料与结构研究所答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TB121U.D.C:530DissertationfortheMasterDegreein

2、EngineeringCUMULATIVEFATIGUEDAMAGENUMERICALANALYSISFORCOMPOSITELAMINATESCandidate：XiaobinJianSupervisor：Prof.JunLiangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：EngineeringMechanicsCenterforCompositeMaterialsAffiliation：andStructuresDateofDefence：June,2015Degree-Conferring-Institution：Har

3、binInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要疲劳失效是工程中常见的一种破坏形式。多数金属材料的疲劳极限是拉伸强度的40%~50%,而碳纤维/环氧树脂复合材料则可达90%，虽然复合材料的抗疲劳性能比金属好，但是也避免不了疲劳问题。在分析复合材料层合板疲劳分层问题时也不能再用研究金属材料疲劳裂纹扩展的方法。在复合材料层合板使用过程中，层间分层和界面脱粘是其中两种常见的和起决定性作用的失效形式。由于分层常常发生在低应力水平下的周期载荷，因此机械疲劳是引起复合材料结构分层损伤的最重要因素。由于复合材料层合板往往具有非线性，经典断裂力学已经无法满足。同时复合材料由于

4、其铺层方式的多样性，层合板厚度的影响，因此若是通过实验方法来研究复合材料层合板疲劳分层扩展将会是一个耗时费力的事情。随着计算机技术的发展，因此寻求有效的数值模拟技术，对复合材料层合板疲劳分层进行分析具有极大的工程意义。本文将断裂力学和损伤力学相结合，利用数值模拟技术对复合材料层合板疲劳分层进行分析，同时对复合材料层合板疲劳寿命进行预报。首先介绍了单调载荷下和疲劳周期载荷下离散内聚力模型本构关系。在单调载荷下，视内聚力模型关系为双线性关系。通过弹簧单元，建立了单调载荷下的静态损伤演化形式。同时针对高周疲劳下，建立了指数形式的疲劳累积损伤演化模型。分析了在商业有限元软件ABABQUS中的数值运用，

5、利用子程序进行实现复合材料层合板的疲劳累积损伤模型，为后面分析复合材料层合板疲劳扩展奠定理论基础。其次针对单调载荷下利用离散内聚力模型，分析了复合材料层合板I、II和复合型断裂分层扩展情况。得到三种形式下的复合材料层合板分层演化过程，并和VCCT技术进行比较，验证了离散内聚力模型的有效性。同时就内聚力模型参数弹簧单元模量和网格大小对离散内聚力模型运用影响进行分析，得到离散内聚力模型对这两个参数的敏感性很小的结论。然后分析在高周疲劳载荷下复合材料层合板疲劳分层扩展情况。利用疲劳离散内聚力模型对I型、II型和复合型裂纹扩展情况。得到三种形式下载荷加载初期时裂纹扩展速率。同时分析在四种载荷大小工况下

6、的疲劳裂纹扩展速率和能量释放率之间的关系，并与文献中实验数据吻合良好。最后建立了用虚拟裂纹闭合技术来预测复合材料疲劳寿命方法，对I型和II型复合材料层合板寿命进行预测分析。I哈尔滨工业大学工学硕士学位论文关键词：复合材料层合板；离散内聚力模型；疲劳累积损伤；疲劳寿命预测；数值模拟II哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractFatiguefailureisoneofgeneralfailuremodesformaterialsandstructuresinengineering.Fatiguelimitformetalmaterialsis40%~50%oftheirtensilestre

7、ngth.Butasforcarbonfiber/epoxycompositematerial,itsfailurelimitis90%ofitstensilestrength.Thoughfatigueperformanceofcompositematerialsisbetterthanmetalmaterials,itisinevitabletohavethefatigueproblemsfo