复合材料一系列优异的性能使其在飞行器结构中被广泛应用。复合材料层合板结构是常用的构型之一,但由于其相对较弱的层间性能,往往会发生分层破坏,导致结构件的强度和刚度的大大降低。分层扩展成为复合材料结构损伤容限设计中需要重点考虑的因素。数值模拟作为损伤容限设计的重要参考指标,它能够准确地预测复合材料层合板的分层起始和扩展过程是必要的。过往的研究大多集中于单向层合板,且相应的试验标准和模拟方法已经得到建立。但对于工程应用更为普遍,分层扩展机理更为复杂的多向层合板,仍需进一步的研究。多向层合板分层扩展中往往出现的大尺度纤维桥接现象,使得数值模拟过程更为复杂。传统的双线性内聚力模型已无法满足要求。为了在数值模拟中引入纤维桥接现象对复合材料层合板分层扩展的影响,本文在经典双线性内聚力方法的基础上,开展了系列工作并取得了如下创新型成果。(1)基于分层失效机理,本文引入断裂韧度分配比参数m将非线性形式软化的桥接应力分布曲线以两线性段软化的形式代替,并将表征基体损伤过程的双线性本构关系和表征桥接纤维损伤过程的三线性本构关系叠加,原创性地提出了三线性软化内聚力本构关系。该模型能够有效地实现大尺度纤维桥接现象下复合材料层合板的分层扩展模拟。相对于现有模型,该模型参数少,参数易于确定且有明确的物理意义。同时线性软化形式的内聚力本构关系在数值方法中便于实现且在计算成本方面具有较高的优势。(2)通过四组不同铺层T700/QY9511多向层合板分层扩展试验,提取分层过程中初始裂纹尖端裂纹面张开位移与断裂韧度数据。模型中引入断裂韧度分配比参数m反映桥接纤维显著差异的两非线性软化段,并根据试验数据建立新型内聚力模型参数确定流程。最终采用数值模拟方法对新型三线性软化内聚力模型进行验证。模拟结果具有较高的准确性。综上所述,本文建立了基于失效机理的新型三线性软化内聚力本构关系,模型中的具体参数可通过相关试验得到确定,实现了多向层合板分层扩展的有效模拟。本文的研究工作可为多向层合板分层扩展的数值模拟提供理论支撑和技术支持。