含低速冲击损伤T300/69层合板疲劳性能试验与数值模拟研究

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复合材料具有比强度高、比刚度高、可设计性强和耐疲劳性能好等优点,在新能源行业、航空航天和汽车领域得到广泛应用。然而复合材料在生产、运输和服役过程中会遭受各种类型的损伤,其中低能量冲击损伤尤为突出。当复合材料受到冲击后,损伤在其表面不易被观察,但是内部很有可能已经产生分层、基体挤压等损伤,这类损伤对于复合材料的安全使用和寿命会产生严重影响。当前,含冲击损伤复合材料的疲劳问题受到许多学者的关注,但是研究主要集中在中心冲击问题上,有关边缘冲击和含边缘冲击损伤复合材料的疲劳问题研究缺较少。因此,研究层合板的边缘冲击损伤和冲击后的疲劳损伤扩展是非常有必要的。本文的主要研究内容有:(1)以T300/69碳纤维复合材料层合板为研究对象,进行边缘冲击试验及压缩剩余强度试验。分析冲击能量大小对层合板造成损伤的严重程度,观察冲击后层合板压缩失效过程中的损伤扩展,得到含冲击损伤层合板凹坑深度、损伤面积和压缩剩余强度等实验数据。(2)开展对含边缘冲击损伤层合板的压-压疲劳试验,根据压缩剩余强度值确定压-压疲劳试验的疲劳载荷。得到不同冲击能量和疲劳载荷作用下层合板的疲劳寿命,分析冲击能量和应力水平对于层合板疲劳寿命的影响,观察不同疲劳载荷下层合板的损伤特点和形貌。(3)基于三维渐进累积损伤分析理论,使用有限元软件ABAQUS并结合编写的VUMAT/UMAT子程序模拟T300/69层合板边缘冲击、冲击后压缩破坏和冲击后压-压疲劳损伤扩展过程。通过对比冲击产生的凹坑深度、损伤状态和压缩剩余强度三个方面,验证层合板边缘冲击和冲击后压缩破坏过程模拟的正确性。在层合板冲击后压-压疲劳损伤扩展模拟过程中,将层合板失效时的循环次数与试验对比,验证模型的合理性。此外,结合不同过程中层合板的损伤特点和机理,揭示纤维、基体和分层在不同阶段下的损伤起始、扩展和演化规律。
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