碳纤维增强树脂基复合材料作为先进复合材料的一种,以其比强度高、比模量高和可设计性等优越性能,广泛应用于航空航天、船舶工程、建筑工程、机械制造等不同领域,并发展成为主承载工程材料。复合材料结构在生产制造和使用过程中不可避免地产生缺陷和损伤,例如孔隙、裂纹、脱胶、分层和切口等。缺陷和损伤会造成复合材料结构的力学性能的降低。离散源损伤通常表现为复合材料结构在受到高能量冲击后形成的穿透性损伤,其造成复合材料结构的目视明显可见损伤。含离散源损伤复合材料结构的承载能力明显降低,且只能够保证飞机平稳飞行,因此研究离散源损伤对复合材料结构力学性能的影响及其失效行为具有重要的工程意义。本文以含离散源损伤复合材料结构为研究对象,通过理论分析、试验测试和有限元计算方法相结合对含离散源损伤复合材料结构的失效行为进行了研究。1.提出了复合材料结构离散源损伤的表征方法,作为分析含离散源损伤复合材料结构的失效行为的基础。针对复合材料结构的损伤特点,对复合材料离散源损伤的成因、形式和扩展方式进行了具体分析。分析了影响含离散源损伤复合材料结构失效行为的不同因素,包括材料性能、结构形式、载荷条件、损伤尺寸和结构内部损伤状态。2.提出了基于等效刚度模型的渐进损伤分析方法,用于复合材料结构的失效行为分析,层合板强度计算过程需要考虑名义应变和层合板不同破坏模式的对应关系,计算得到层合板等效刚度随名义应变的变化过程。采用等效刚度方法对含离散源损伤复合材料结构进行了渐进损伤分析,与逐层损伤方法相比,等效刚度计算方法不仅可以精确预测含离散源损伤复合材料层合板的剩余强度,并且得到更为合理的损伤扩展过程。3.含层内损伤复合材料层合板拉伸失效分析。建立了拉伸载荷作用下含层内损伤复合材料层合板模型,推导了拉伸载荷作用下对称层合板剩余强度与材料参数的关系,设计了含层内损伤层合板的两组试验,分别考虑损伤层厚度和损伤层刚度对层合板强度的影响,并建立二维有限元模型,计算得到层间应力的分布。结果表明,含层内损伤层合板的分层的临界应力随中间损伤层模量的增大而减小,随界面层剪切模量的增大而减小,随铺层厚度的增大而减小。4.开孔损伤复合材料层合板热力耦合分析。针对温度场对复合材料层合板的影响,分别在常温和高温环境下对无损伤层合板和开孔层合板进行了拉伸试验,得到了拉伸载荷作用下无损伤层合板和开孔层合板在不同温度环境下的失效模式,测定了不同温度层合板的刚度和强度,单向板拉伸模量在200℃时最高,而横向模量均随温度的升高而降低,无损伤层合板拉伸强度和开孔层合板的剩余强度均随温度的增大而减小。建立开孔层合板进行热力耦合分析模型,探讨了温度和载荷变化对层内应力和层间应力的影响,温度对面内横向应力的影响较为显著,层间应力均随温度的增大而增大,预测得到不同温度开孔层合板的剩余强度。5.含离散源损伤复合材料层合板的拉伸失效行为研究。基于应力分析得到损伤切口前缘应变分布表达式,损伤切口尖端应变集中系数随损伤尺寸的变化,以及剩余强度的随损伤尺寸的变化规律。对含离散源损伤复合材料层合板进行拉伸试验,考虑了不同损伤长度和不同损伤角度对复合材料层合板拉伸行为的影响,研究了拉伸载荷作用下含离散源损伤复合材料层合板的失效过程,测定了含离散源损伤复合材料层合板的剩余强度。分别采用逐层损伤方法和等效刚度方法建立含离散源损伤复合材料层合板的有限元模型,对比损伤过程以及剩余强度的预测结果,证明等效刚度计算方法不仅可以精确预测含离散源损伤复合材料层合板的剩余强度,并且得到更为合理的损伤扩展过程。6.含离散源损伤复合材料层合板的压缩失效行为研究。基于复合材料层合板的稳定性特点,分析了局部屈曲对压缩载荷作用下含离散源损伤复合材料层合板压缩破坏的影响,得到压缩剩余强度的随损伤尺寸的变化规律。然后对含离散源损伤复合材料层合板进行压缩试验,考虑了不同损伤长度和不同损伤角度对复合材料层合板的影响,研究了压缩载荷作用下含离散源损伤复合材料层合板的失效过程,测定了含离散源损伤复合材料层合板的压缩剩余强度。最后采用复合材料层合板等效计算方法建立含离散源损伤复合材料层合板的有限元模型,分析了压缩破坏过程,计算含离散源损伤复合材料层合板的压缩剩余强度。7.含离散源损伤复合材料加筋板的失效行为研究。基于对复合材料加筋板失效行为特点的分析,提出了含离散源损伤复合材料加筋板的最大载荷计算经验公式。对含离散源损伤复合材料加筋板进行拉伸和压缩试验,三组实验分别考虑了结构尺寸、损伤长度和Z向增强对含离散源损伤复合材料加筋板的影响。拉伸和压缩载荷作用下不同结构尺寸含离散源损伤复合材料加筋板具有相同的破坏模式,但结构尺寸的增大使得剩余强度有所降低。剩余强度试件的压缩剩余强度随着损伤长度的增加而减小,减小程度随损伤长度的增大趋于平缓。不同类型的Z向增强方式一定程度上提高了复合材料加筋板的承载能力,提高了压缩载荷作用下含离散源损伤复合材料加筋板蒙皮和筋条脱粘分层的初始载荷。建立含离散源损伤复合材料加筋板的有限元模型,基于等效刚度模型进行渐进损伤分析,预测含离散源损伤复合材料加筋板的剩余强度。