复合材料压缩破坏与刚性退化规律研究

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纤维增强复合材料轴向承压时,其压缩强度比拉伸强度低40%以上,该因素严重制约了其在工程中的广泛应用。因此人们对其压缩破坏机理及破坏演变规律的探究更加关注。研究表明,与受拉破坏情况不同,承压时破坏面通常与受载方向不垂直,导致破坏区域产生剪切应力的耦合作用,从而引发纤维间的基体劈裂或层间分层问题,增加了层合板结构失效的风险。
  复合材料结构在承压时破坏如何演化,是其强度破坏分析的基础和核心任务。本文从试验、理论模型和有限元仿真三个方面研究了纤维增强复合材料的压缩响应及破坏演变规律。主要工作包括以下几个方面:
  (1)提出了基于连续介质损伤力学(CDM)的单向复合材料压缩破坏渐进损伤分析(PDA)模型。建模中考虑了材料非线性行为、失效判据以及损伤演化中材料性能退化等基本问题,分别对应于拉压不对称弹塑性本构关系、Puck准则和LaRC05准则以及考虑破坏面方向的刚性退化方法,并重点探讨了纤维折曲破坏的起始与演化分析;
  (2)设计了原位观察实验方案与夹具并进行了加工,通过原位观察实验对复合材料层合板压缩破坏的机理、过程以及试验观察方法进行了研究,并通过缺口试样的压缩试验对复合材料压缩破坏演化过程以及复合材料压缩渐进失效分析理论模型所需要的一些参数进行了确定;
  (3)将该模型通过用户材料子程序接口VUMAT引入到有限元软件ABAQUS中实现了有限元求解。对文献中提供的单向板纵向、横向及偏轴压缩案例进行了数值计算和试验数据对比。数值分析结果与试验数据吻合较好,证明了该方法的合理性和有效性;
  (4)将通过单向板算例验证的模型应用于层合板的计算中,证明了该方法可以模拟出复合材料层合板压缩失效时厚度方向的损伤演化过程,并可以将层板内部的损伤进展与宏观力学响应对应起来;
  (5)关于进一步工作的方向进行了简要的讨论。
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