基于率相关粘接界面模型的夹芯复合材料结构极限强度研究

摘要

随着复合材料在航天航空领域的成功，以及一些新型船舶对减重和声、磁性能要求的不断提高，以层合玻璃纤维布为面板、硬质泡沫为芯材的夹芯复合材料结构因其比强度高、低磁性和可设计性等优点，已被称为极具发展前景的新型结构功能材料，在舰船结构中的应用越来越广泛。为了进一步地提高夹芯复合材料结构的设计性能，安全性和经济性，需要对此种结构的极限承载力进行充分的研究。然而夹芯复合材料结构的断裂事故往往是在低于材料强度的情况下发生的，主要原因就是由于面板和芯体材料属性的不连续，在制造和服役过程中不可避免的出现裂纹和损伤，面/芯界面失效是夹芯复合材料最为普遍的损伤形式，同时也是造成结构力学性能发生大幅退化的主要原因。因此对面/芯界面的力学性能进行分析和合理的模拟和评估是十分必要的。基于弹塑性断裂力学发展起来的内聚力理论由于可以同时预测裂纹的萌生和扩展，还避免了裂纹尖端的应力奇异性，广泛的应用于界面裂纹的扩展模拟中。因此采用内聚力理论对界面的力学行为进行模拟，并且在夹芯复合材料的极限强度分析中考虑界面脱粘对结构强度的影响是十分有必要的。 鉴于此，本文的主要研究工作有以下四个方面： 首先，介绍了内聚力模型的原理和不同内聚力模型的内聚力-张开位移关系，选择了Xu和Needleman提出的具有非线性连续内聚力-张开位移关系的指数型内聚力模型进行研究，并分析了复合开裂过程中指数型内聚力模型的各向应力位移之间耦合关系。发现只有在耦合参数q=1时，各向应力关系才能完全耦合，为此改进了Xu和Needleman指数内聚力模型，得到适用于三维应力状态下界面开裂的内聚力本构关系，并推导了相应的失效准则。 其次，考虑到大量研究表明粘接界面具有加载速率相关的粘性特性，而常用的内聚力模型只考虑内聚区内张开位移的影响，不能正确反映面/芯界面裂纹扩展时与加载速率的相关性。因此在指数型内聚力模型的基础上，引入Maxwell弹簧单元，构建载荷速率相关的界面模型，并通过ABAQUS有限元软件的UEL子程序接口，利用Fortran语言编制界面单元。通过对典型算例的数值模拟，证明了该界面模型的准确性。 考虑到夹芯复合材料结构具有多种失效方式，在前面推导的率相关粘接界面模型的基础上，结合渐进失效分析方法构建了夹芯复合材料结构的极限强度分析模型，基于交织纤维在1、2主方向上同性的特点改进了Hashin失效准则并提出了相应的刚度退化准则来模拟夹芯板的层合面板的失效，对于面/芯的力学行为则采用本文前面提出的粘接界面模型模拟，同时通过算例验证该极限强度分析模型的准确性，并对比了粘接界面模型和理想界面模型对于夹芯板极限强度预测的影响。 最后开展了弯曲载荷下夹芯复合材料L型节点的极限强度试验，根据试验的过程和结果进行了详细的描述和分析，结合本文提出的夹芯复合材料极限强度分析模型建立L型节点有限元模型，分析夹芯复合材料L型节点的失效模式和极限强度，将数值计算结果与试验值进行对比，证明了该数值模拟方法的准确性，并基于该分析模型研究了圆弧肘板对L型节点极限强度的影响，为后续的结构优化提供了一定的参考。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 选题背景及研究意义

1.2 研究现状

1.2.1 夹芯复合材料结构的组分材料及力学性能

1.2.2 夹芯复合材料结构的基本理论和计算模型

1.2.3 夹芯结构界面分层损伤的研究现状

1.2.4 内聚力理论的研究现状

1.2.5 夹芯复合材料极限强度研究现状

1.3 本文主要的研究内容

第2章 基于断裂力学的界面力学基本理论

2.1 引言

2.2 夹芯结构的基本理论

2.3 界面断裂力学的理论基础

2.3.1 裂纹的类型

2.3.2 应力强度因子准则

2.3.3 能量释放率G准则

2.3.4 应力强度因子K和能量释放率G的关系

2.3.5 J积分理论及其意义

2.3.6 界面的力学模型

2.3.7 界面上的奇异应力点

2.3.8 界面端的奇异应力场和Dundurs参数

2.4 考虑界面相的三相介质材料模型

2.5 传统界面断裂力学研究方法

2.5.1 界面裂纹应力强度因子法

2.5.2 虚拟裂纹扩展法

2.5.3 虚拟裂纹闭合法

2.6 内聚力模型的基本概念

2.6.1 内聚力模型的基本原理

2.6.2 内聚力模型与传统断裂力学方法的比较

2.6.3 有限元计算中内聚力模型

2.7 本章小结

第3章 内聚力模型与界面失效准则研究

3.1 引言

3.2 分段式的内聚力模型本构关系

3.2.1 双线性模型

3.2.2 梯形内聚力模型

3.3 指数型内聚力模型

3.3.1 指数型内聚力模型本构关系与断裂能控制方程

3.3.2 单向开裂条件下的应力和断裂能方程

3.4 复合开裂时应力耦合关系分析

3.4.1 耦合参数对应力-位移关系的影响

3.4.2 复合开裂时的各向断裂能与总断裂能分析

3.5 界面的失效准则

3.5.1 损伤起始准则

3.5.2 分层扩展准则

3.6 本章小结

第4章 率相关内聚力界面本构模型及其数值实现

4.1 前言

4.2 率相关的粘弹性界面模型

4.2.1 粘弹性界面模型本构关系

4.2.2 率相关界面本构模型的求解

4.3 界面单元的有限元列式推导

4.4 ABAQUS用户单元子程序UEL

4.4.1 UEL概述和主要变量介绍

4.4.2 用户单元的定义和调用

4.5 数值算例和讨论

4.5.1 双悬臂梁试件模型

4.5.2 计算结果及分析

4.6 本章小结

第5章 夹芯复合材料结构极限强度分析方法

5.1 引言

5.2 复合材料层合板本构关系

5.3 夹芯复合材料结构极限强度分析方法

5.3.1 渐进失效分析方法介绍

5.3.2 渐进失效准则

5.3.3 刚度退化模型

5.3.4 结构整体失效判据

5.4 夹芯复合材料板极限强度分析

5.4.1 夹芯复合材料板试件参数

5.4.2 夹芯板有限元模型

5.4.3 夹芯板结构渐进失效过程模拟

5.4.4 夹芯复合材料板数值模拟与试验结果对比分析

5.5 本章小结

第6章 考虑界面损伤的夹芯复合材料L型节点极限强度研究

6.1 引言

6.2 夹芯复合材料L型节点试验研究

6.2.1 试件介绍

6.2.2 试验工装

6.2.3 试验结果

6.3 夹芯复合材料L型节点强度试验的有限元模拟

6.3.1 L型节点有限元模型

6.3.2 应变分布情况对比分析

6.3.3 结构失效分析

6.3.4 圆弧肘板半径的影响对L型节点极限强度的影响

6.4 本章小结

第7章 总结和展望

7.1 总结

7.2 论文创新点

7.3 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文