含缺口纤维增强复合材料层合板的渐进性失效分析.pdf

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1、含缺口纤维增强复合材料层合板的渐进性失效分析汤凯利2015年12月中图分类号：TQ028.1UDC分类号：540含缺口纤维增强复合材料层合板的渐进性失效分析作者姓名汤凯利学院名称宇航学院指导教师刘广彦副教授答辩委员会主席董春迎教授申请学位工学硕士学科专业固体力学学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2015年12月Progressivefailureanalysisofnotchedfiber-reinforcedcompositelaminatesCandidateName:Tang-KailiSchoolorDepartment

2、:SchoolofAerospaceEngineeringFacultyMentor:A.Prof.GuangyanLiuChair,ThesisCommittee:Prof.ChunyingDongDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor:SolidMechanicsDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence:December,2015研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果

3、。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：北京理工大学硕士学位论文摘要纤维增强复合材料由于具有高比强度和高比刚度等优点，已经被广泛应用于航空航天、武器、舰艇等领域。复合材料结构应用时，经常需要打孔或开口。对于结构设计者来说，理解这种含缺口的纤维增强复合材料的力学性能至关重要，因为承受载荷时，缺口会带来应力

4、集中，应力集中处的材料损伤会降低复合材料结构强度和使用寿命。此外复合材料本身具有不均匀性和各向异性，这使得该类问题的分析更加复杂。因此，研究含缺口纤维增强复合材料层合板的失效具有重大意义。当前，在许多数值模型中都将纤维增强复合材料简化为均匀各向异性体，没有对缺口尖端的应力集中做特殊处理，这种模型并不能准确模拟复合材料的应力状态。因此本文对缺口尖端处的应力集中做了详细分析。分析指出，受拉时由于缺口尖端沿纤维方向劈裂的产生，缺口处的高度应力集中会被极大地缓解。为了更好地理解含缺口纤维增强复合材料层合板的失效，本文基于有限元软件ABAQ

5、US建立了渐进性失效模型。模型中为模拟缺口尖端真实的应力状态，在层内引入了沿纤维方向的基于面的内聚力接触模拟劈裂。为模拟界面分层，在层间也引入了基于面的内聚力接触。研究了不同铺层和缩放面内尺寸情况下，含缺口纤维增强复合材料层合板的拉伸失效。最后，将有限元分析得到的失效模式和失效强度与文献中的实验结果进行了对比，从而验证该模型能准确预测复合材料层合板的失效。关键词：渐进性失效分析；内聚力接触；应力集中；劈裂；复合材料I北京理工大学硕士学位论文AbstractDuetotheiradvantagessuchashighspecific

6、modulusandhighspecificstrength,advancedfiberreinforcedcompositematerialsarebeingwidelyusedinfieldslikeaerospace,weaponsandmarine,etc.Thestructuralapplicationofcompositematerialsoftenrequiresthepresenceofholesorcut-outs.Thebehaviorofcompositematerialswithstressconcentr

7、ationsduetothesenotchesisofgreatinteresttodesignersbecausethedamagegrowtharoundthesestressconcentrationswillresultinstrengthorlifereductionofcompositestructures.Inaddition,thematerialheterogeneityandanisotropymakethesituationmorecomplicated.Therefore,it’sofgreatimport

8、ancetoinvestigatethefailureofnotchedcompositelaminates.Inmostofthenumericalmodels,fiber-reinforcedcompositesaremodeledashomo