基于连续介质损伤力学的复合材料层合板低速冲击损伤模型

基于连续介质损伤力学（CDM）方法,建立了分析复合材料层合板低速冲击问题的三维数值模型。该模型考虑了层内损伤（纤维和基体损伤）、层间分层损伤和剪切非线性行为,采用最大应变失效准则预测纤维损伤的萌生,双线性损伤本构模型表征纤维损伤演化,基于物理失效机制的三维Puck准则判断基体损伤的起始,根据断裂面内等效应变建立混合模式下基体损伤扩展准则。横向基体拉伸强度和面内剪切强度采用基于断裂力学假设的就地强度（in-situ strength）。纤维和基体损伤本构关系中引入单元特征长度,有效降低模型对网格密度的依赖性。层间分层损伤情况由内聚力单元（cohesive element）预测,以二次应力准则为分层损伤的起始准则,B-K准则表征分层损伤演化。分别通过数值分析方法和试验研究方法对复合材料典型铺层层合板四级能量低速冲击下的冲击损伤和冲击响应规律进行分析,数值计算和试验测量的接触力-时间曲线、分层损伤的形状和面积较好吻合,表明该模型能够准确地预测层合板低速冲击损伤和冲击响应。     

基于Puck理论的复合材料层合板横向剪切失效分析

针对复合材料层合板三维失效分析问题,建立了一种基于Puck失效准则的分析模型。针对Puck失效理论中的基体失效,分别采用遍历法和分区黄金分割法（PGSS）的一维搜索算法预测了不同应力状态下基体失效的断裂面角度,并对比分析了两种算法的计算精度和计算效率。研究表明,PGSS具有较高的搜索精度和搜索效率。在ABAQUS有限元分析平台下,编写了基于Puck失效准则的VUMAT显式用户自定义材料子程序,对复合材料层合板横向（G₂₃）剪切性能进行了数值预测和渐进失效分析,并与试验载荷-位移曲线、DIC测得的应变场及破坏模式进行了对比。分析结果表明:当前的分析模型能较好地预测复合材料层合板G₂₃剪切试验的力学响应和破坏模式。      

基于率相关三维弹塑性损伤模型的复合材料渐进失效分析

建立了一个同时考虑复合材料非线性力学响应、应变率效应和损伤累积导致材料属性退化的弹塑性三维损伤本构模型。采用改进的塑性力学模型表征材料在动态荷载下的非线性力学行为。为准确预测复合材料在动态荷载下的弹塑性力学响应,引入了率相关放大系数对准静态下的塑性强化函数进行修正。采用“断裂带模型”对已开发的本构模型软化段进行规则化,以减轻有限元分析结果的网格敏感性。采用分区反抛物线插值法对基体损伤初始断裂面角度及纤维扭结/劈裂平面角度进行求解。开发包含数值积分算法的用户材料自定义子程序VUMAT,并嵌于有限元程序ABAQUS V6.14中,对力学行为展现显著非线性力学效应和应变率效应的IM7/8552碳纤维/环氧树脂复合材料层合板进行了渐进失效分析,验证本文提出的材料本构模型的有效性。结果显示,预测结果与已报道的试验结果吻合良好,表明已建立的率相关三维弹塑性损伤本构模型能准确预测此类复合材料层合板的在动态荷载下的力学行为,为复合材料构件及其结构设计提供了一种有效的分析方法。     

复合材料层合板缺口强度的CDM三维数值模型

针对复合材料层合结构缺口强度问题,基于连续损伤力学（CDM）提出了一种三维损伤数值模型。模型区分了层内损伤（纤维失效、纤维间失效）和层间分层损伤的不同失效模式。采用三维Puck准则与Aymerich准则对上述2类损伤进行判定,材料失效后基于CDM中线性软化模型对材料损伤进行演化。模型考虑了复合材料层合板子层的就位效应和剪切非线性行为。对Carlsson的AS4/3501-6缺口拉伸强度试验进行数值模拟。结果表明:分析结果与试验结果吻合良好,证明了该模型能够准确地预测含缺口复合材料层合板面内拉伸强度。      

一种改进的内聚力损伤模型在复合材料层合板低速冲击损伤模拟中的应用

针对传统内聚力损伤模型(CZM)无法考虑层内裂纹对界面分层影响的缺点,提出了一种改进的适用于复合材料层合板低速冲击损伤模拟的CZM。通过对界面单元内聚力本构模型中的损伤起始准则进行修正,考虑了界面层相邻铺层内基体、纤维的损伤状态及应力分布对层间强度和分层扩展的影响。基于ABAQUS用户子程序VUMAT,结合本文模型及层合板失效判据,建立了模拟复合材料层合板在低速冲击作用下的渐进损伤过程的有限元模型,计算了不同铺层角度和材料属性的层合板在低速冲击作用下的损伤状态。通过数值模拟与试验结果的对比,验证了本文方法的精度及合理性。     

复合材料连续损伤力学模型在螺栓接头渐进失效预测中的应用

提出考虑层合板面内(纤维和基体失效)和层间失效的复合材料连续损伤力学模型,对螺栓接头的渐进失效行为进行预测。基于Tsai-Wu强度准则,发展可以判定复合材料面内和层间失效的强度准则。采用幂指数衰减材料退化模型模拟复合材料的损伤扩展过程。建立连续损伤力学模型用以研究0°铺层比例和螺栓直径对复合材料螺栓接头挤压性能的影响,预测结果与实验结果吻合。结果表明:0°铺层比例过高,接头发生剪切破坏,降低连接结构承载能力;增大螺栓直径,层合板损伤受到抑制,可提高复合材料螺栓接头的挤压强度。      

单向纤维增强聚合物复合材料压缩渐进破坏单向纤维增强聚合物复合材料压缩渐进破坏

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。本文提出了基于连续介质损伤力学（CDM）的单向纤维增强聚合物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、失效判断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、LaRC05准则及考虑破坏面方向的刚度退化方法。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。对文献中提供的纵向、横向及偏轴压缩案例进行了数值计算并与试验数据对比。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,对开展多向层合板压缩破坏分析富有参考价值。      

纤维增强复合材料层板高速冲击损伤数值模拟

推导了复合材料应变率相关三维本构关系, 并将其用于复合材料层板高速冲击损伤的数值模拟。该模型在复合材料层间引入界面单元模拟层间分层, 结合三维Hashin失效准则进行单层板面内损伤识别, 引入材料刚度退化, 采用非线性有限元方法, 研究了复合材料层板高速冲击的破坏过程及层板的损伤特性。数值分析结果表明, 剩余速度预报结果与实验结果吻合较好, 层板的主要损伤形式是层间分层、 基体微裂纹和纤维断裂, 减小弹体直径、 增大铺层角度和层板厚度能够有效降低层板损伤面积。      

复合材料层合板阶梯形挖补胶接修理渐进损伤分析

建立了复合材料层合板阶梯形挖补胶接修理构型的渐进损伤分析三维有限元模型, 同时考虑了复合材料母板、 补片和胶层的损伤扩展以及它们之间的相互影响。层合板采用含正交各向异性损伤的连续介质损伤力学(CDM)本构方程进行描述, 材料积分点处的损伤状态采用二阶张量形式的内部状态变量表征。胶层采用含各向同性损伤的CDM本构方程进行描述, 材料积分点处的损伤状态采用常数形式的损伤变量表示。计算结果与试验数据符合较好, 说明该模型可较好预测挖补胶接修理的复合材料层合板拉伸强度及其失效模式。     

碳纤维编织复合材料层合板抗侵彻性能研究

通过弹道冲击实验开展了碳纤维编织复合材料层合板的抗侵彻性能研究，进行了动态响应分析和损伤模式分析。建立了基于Hashin失效和Yeh分层失效准则的渐进损伤模型，运用ABAQUS有限元软件模拟了碳纤维编织复合材料层合板的侵彻失效过程，采用Lambert-Jonas公式拟合了柱状弹侵彻层合板弹道极限曲线，对比分析了碳纤维编织复合材料层合板侵彻实验与数值模拟的弹道极限速度及损伤形貌。结果表明，层合板侵彻损伤模式主要为分层、纤维断裂和基体开裂失效，弹道极限速度数值模拟结果与实验结果吻合较好。     

Prediction of biaxial failure envelopes for composite laminates based on Generalized Method of Cells

Macro/micromulti-scale analysis based on the efficient implementation of the Generalized Method of Cells coupled with classical lamination theory was conducted to predict failure of composite laminates, applying failure criteria at the constituent level, including fiber, matrix and interface. Representative unit cells with different fiber arrays were constructed in order to study the effect of reinforcement architecture and failure criteria on strength prediction of composite laminates. In order to compare the micromechanics model’s accuracy with commonly-used macroscopic failure theories, the experimental data obtained from the Worldwide Failure Exercise (WWFE) was utilized, and a quantitative assessment method for failure envelopes was developed to evaluate the model’s performance. Finally, the types of representative unit cell architectures and failure theories which are applicable for different layups were identified. The results indicate that the predictive performance of the employed micromechanics-based model is closest to the three leading macroscopic failure criteria of Puck, Cuntze and Tsai–Wu, and better than all other microscopic-based failure criteria (Chamis, Mayes, Huang), employed in the WWFE study.     

Multiscale finite element modeling of failure process of composite laminates

A multiscale nonlinear finite element modeling technique is developed in this paper to predict the progressive failure process for composite laminates. A micromechanical elastic–plastic bridging constitutive model, which considers the nonlinear material properties of the constituent fiber and matrix materials and their interaction and the damage and failure in fibrous composites at the fiber and matrix level, is proposed to represent the material behavior of fiber-reinforced composite laminates. The micromechanics constitutive model is employed in the macroscale finite element analysis of structural behavior especially progressive failure process of the fiber-reinforced composites based on a 4-node 24-DOF shear-locking free rectangular composite plate element.     

Failure analysis of fiber-reinforced composite laminates subjected to biaxial loads

A nonlinear constitutive model for a single lamina is proposed for the failure analysis of composite laminates. In the material model, both fiber and matrix are assumed to behave as elastic-plastic and the in-plane shear is assumed to behave nonlinearly with a variable shear parameter. The damage onset for individual lamina is detected by a mixed failure criterion, composed of the Tsai-Wu criterion and the maximum stress criterion. After damage takes place within the lamina, the fiber and in-plane shear are assumed to exhibit brittle behavior, and the matrix is assumed to exhibit degrading behavior. The proposed nonlinear constitutive model is tested against experimental data and good agreement is obtained. Then, numerical analyses are carried out to study the failure behavior of symmetric angle-ply composite laminates and symmetric cross-ply composite laminates subjected to biaxial loads. Finally, the conclusions obtained from the numerical analysis are given.     

纤维增强复合材料层板高速倾斜冲击损伤数值模拟

根据复合材料三维黏弹性本构关系, 建立了纤维增强复合材料层板高速倾斜冲击损伤的数值分析模型。该模型在复合材料层间引入界面单元模拟层间分层, 结合三维Hashin失效准则进行单层板面内损伤识别, 引入材料刚度折减方案, 采用非线性有限元方法, 研究高速倾斜冲击下复合材料层板的破坏过程和损伤特性。研究结果表明: 层板的主要损伤形式是层间分层、 基体微裂纹和纤维断裂; 冲击速度不变而入射角度增大时, 剩余速度减小, 层板损伤面积在一定入射角度范围内有明显变化; 入射角度不变而冲击速度增大时, 剩余速度增大, 层板损伤面积在一定速度范围内也有明显变化。     

复合材料层合板多尺度交互渐进损伤分析

纤维增强复合材料强度的准确表征是复合材料力学性能研究的核心问题之一。该文以碳纤维增强树脂基复合材料层合板为研究对象,基于宏观-细观多尺度分析方法,根据复合材料的物理失效模式分别给出了基体和纤维的细观失效准则,同时考虑基体失效对复合材料层合板纤维轴向力学性能的影响。提出了新的刚度退化方式,可准确表征复合材料层合板的损伤演化过程,开展了复合材料层合板四点弯模型的多尺度交互渐进损伤分析和试验验证。结果表明:基于多尺度方法的复合材料层合板宏-细观交互渐进损伤分析结果与试验结果吻合较好,新的刚度退化方式可以准确模拟层合板的失效过程。