层合复合材料结构的粘聚区扩展有限元模型研究

基于粘聚区模型的扩展有限元法是分析层合复合材料结构失效问题的一种很有前景的方法。目前的研究工作侧重于该模型在界面失效问题的应用研究，而对模型本身存在的精度、收敛性问题及层内失效、多损伤失效等关键技术问题缺乏研究。针对这些关键技术问题，通过理论与试验研究，完成的主要工作包括：（1）构建了基于NURBS曲面的高阶扩展有限元模型，用于模拟层合复合材料结构的层间分层损伤的扩展过程，有效地实现了粘聚力分布从粘聚区到完全失效区的平滑过渡，增大了粘聚区模型所需的最小网格尺寸；（2）构建了预测不同铺层间断裂韧性的细观模型，建立了离位增韧和Z-PIN增强复合材料结构的界面失效分析的试验与仿真技术；（3）从复合材料层内损伤失效的细观机理出发，结合层内损伤的失效判据，建立了基于层内损伤模式的粘聚区扩展有限元模型，该模型不仅可用于模拟层内拉伸失效模式，也可用于模拟层内压缩载荷所致的剪切破坏失效模式；（4）根据复合材料层内损伤与层间损伤相互耦合的细观机理，建立了多损伤耦合的扩展有限元模型，并采用该模型对复合材料加筋壁板的冲击后轴压破坏试验进行了仿真，探究了其冲击失效机理及冲击后压缩损伤扩展机制，为飞机结构中复合材料加筋壁板的损伤容限设计和对比选型提供设计建议。 2100433B

基于粘聚区模型的扩展有限元法是分析层合复合材料结构失效问题的一种很有前景的方法。目前的研究工作侧重于该模型在界面失效问题的应用研究，而对模型本身存在的精度、收敛性问题以及层内失效、多损伤失效的分析问题缺乏基础研究。存在的主要问题包括：扩充形函数影响仿真精度、收敛性的问题，层间断裂韧性的预测问题，层内压缩失效及多损伤耦合问题的扩展有限元模拟问题。通过理论与实验研究，提出解决问题的思路与方法，主要包括：(1) 基于粘聚区的损伤扩展特点,提出一种新的扩充形函数的构造方法及应变场平滑处理方法；(2) 提出基于分层的细观失效机理的层间断裂韧性的预测方法；(3) 根据压缩模式下单层板的细观失效机理，提出层内压缩致使的剪切滑移失效的扩展有限元模型；(4)通过在位移场中置入耦合项的方式，实现多损伤耦合作用的扩展有限元模拟。这些问题的解决为建立基于扩展有限元模型的层合复合材料结构的失效评估方法奠定理论基础。

由具有两种或两种以上纤维的棍杂层铺叠而成的复合材料，基体一般为高聚物，是混杂复合材料的一种。这种说杂形式义称八型混杂。混杂层可以是异种纤维编织的织物，由于混杂纤维束制备工艺堑杂，很少采用层内混杂复合材料除具优异力学性能外，特别是由异种纤维间互相分散的程度增大，由此制约的能力增强因而抗裂纹扩展性能更好。层内混杂复合材料的成型方法同一单一纤维复合材料。该种混杂复合材料的混杂层制作比较繁杂。

聚合物基复合材料在航空航天、交通运输等领域应用十分广泛。其粘弹性力学行为因受组分比例、微观结构及其组分间相互作用等因素的影响而变得十分复杂，是目前该领域研究的热点和难点。开展该方面的研究，并揭示其不同条件下的应力松弛规律，具有较高的科学意义和工程应用价值。本项目从复合材料粘弹性实验测试入手，建立新的粘弹性表征方法，揭示其应力松弛机理；在通用单胞模型的基础上，建立一种新的细观力学粘弹性理论模型和相应的显式数值分析方法，描述复合材料粘弹性应力松弛的一般演化规律；通过复合材料和基体材料的粘弹性松弛规律的对比，建立表征复合材料粘弹性属性的逆向反推力学模型；利用复合材料应力松弛实验，研究不同工艺制造的复合材料结构件的应力松弛规律。通过本项目的研究，期望在复合材料粘弹性实验表征方法、细观力学模型、组分粘弹性影响规律及复合材料结构应力松弛机理等方面获得创新成果，为其在工程中广泛应用提供理论和技术指导。