复合材料层压板层间应力分析和疲劳寿命估算

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1、西北工业大学硕士学位论文分类号:V215学校代码:10699密级:学号:026050168西北工业大学硕士研究生学位论文（学位研究生）复合材料层压板层间应力分析和疲劳寿命估算作者：张培新导师：李亚智专业技术职务：副教授专业：固体力学二零零五年三月71西北工业大学硕士学位论文摘要层压板的疲劳损伤包括面内损伤和分层损伤，损伤之间的相互作用和它们对疲劳寿命的影响机理很复杂。本文首先阐述了一种基于面内损伤的多向层压结构疲劳寿命预测方法，这种方法克服了传统的复合材料寿命预测方法依赖于试件铺层方式和受力方式的缺点。但是这种方法不能用于层间应力影响比较大的情况下的寿命预测

2、。本文在上述方法的基础上进一步考虑了层间应力和分层损伤对疲劳寿命的影响。层间应力是引起疲劳分层损伤的主要原因，本文分别采用两种有限元建模方法对层间应力场进行分析，一种是基于实体单元的三维有限元方法，另一种是基于板元、弹簧元和刚性元的准三维有限元方法。两种模型关于层间应力计算结果分布一致、大小相当。准三维模型适应性好，计算规模小于三维模型。准三维模型将层间应力和面内应力有效地分离开来，能够形象地和恰当地表示层间损伤及其扩展。基于层间应力的计算方法，提出了一种综合考虑面内损伤和层间损伤对疲劳寿命的影响分析方法。并对这种方法进行工程简化，得出一种兼顾层间损伤的疲劳

3、寿命简化分析方法，计算结果比不考虑层间应力影响的疲劳寿命预测结果有了明显改善，和试验结果吻合良好。关键词：复合材料层压板，疲劳寿命，层间应力，有限元71西北工业大学硕士学位论文AbstractTherearevariouskindsoffatiguedamagesinthecompositelaminatestructures,bothin-planeandinterlaminar.Theirinteractionandinfluenceonfatiguelifeareverycomplicatedissues.Thispaperfirstdescribes

4、afatiguelifepredictionmethodincludingonlyin-planedamages,Thismethodwasmodifiedinthispaperbytheintroductionofinterlaminarstressesandthecorrespondingdamagemodels.Twofiniteelementmodelingtechniqueshavebeenevaluatedfortheinterlaminarstressanalysisofmultidirectionalcompositelaminates.In

5、oneofthetechniques,eachplyofalaminateisorthotropicinpropertyandmodeledbythe3Dsolidelements,withoneelementacrossitsthickness.Anothertechniquesuggeststhatthelaminatebemodeledbyacombinationof2Dplateelements,MPC(rigid)elementsand1Dspringelements,namedmixed1D/2D/MPCmodel.Bothmodelingtec

6、hniquesareeffectiveandthemixedmodelismoresuitableforthesimulationofinterlaminardamages.Asimplifiedproceduretoevaluatefatiguelifeofmultidirectionallaminateissuggested.Thepredictedfatiguelifecorrelateswellwiththeexperimentalresults,muchbetterthantheformermethodignoringinterlaminarstr

7、essesanddamages.Keywords:compositelaminate,fatiguelife,interlaminarstresses,finiteelementmethod71西北工业大学硕士学位论文目录摘要IABSTRACTII第一章绪论11.1工程背景11.2研究现状31.3本文的主要工作11第二章层压复合材料疲劳寿命估算方法132.1单向板的疲劳分析132.1.1单向板在单轴循环应力作用下的寿命和损伤132.1.2等寿命曲线的直线模型192.1.3损伤函数的构成232.1.4复杂应力状态下的累积损伤与损伤模式252.2多向层压结构疲劳

8、累积损伤和疲劳寿命的估算方法292.2.1面内应力和