强冲击下复合材料层合结构的破坏过程与三维数值模拟

本项目对强冲击下复合材料层合板靶的变-损伤-破坏全过程进行了实验研究、应用理论分析和三维数值模拟。两类实弹冲击实验明确了受冲靶的损伤机制；提出了用应变响应测量冲击损伤的新方法。从理论上建立了受冲靶的损伤破坏过程分析的框架，此框架考虑了宏观损伤和微观损伤以及冲击过程中的大变形；建立了损伤本构关系、有限元动力平衡方程和弹-靶质点系冲量定理；提出了最大应变分量的宏观破坏准则和有限元节点分裂法；开发了全套受冲复全材料层合板靶破坏过程的三维计算机模拟程序。此成果是对复合材料力学和破坏力学的新贡献，发表专著与论文约二十篇。专著“损伤力学”获得十届中国图书奖；成果获得国学教委科技进步三等奖。 2100433B

纤维增强复合材料破坏准则建立在单向纤维增强复合材料的简单破坏实验的基础上，是估算复杂应力或复杂应变状态下单向复合材料强度以及进行复合材料设计的依据。由于纤维增强复合材料目前多为层板，所以破坏准则是层板强度计算的基础。

在纤维增强复合材料中，纤维的拉伸强度高于基体的拉伸强度。在垂直于纤维方向承受拉伸或在纤维方向和垂直于纤维方向承受剪切的情况下，比较小的应力也会引起复合材料中纤维与基体的脱离或基体自身的拉伸破坏或剪切破坏。在平面应力状态下，单向复合材料有三种基本的破坏形式：纤维拉伸（或压缩）破坏、基体拉伸（或压缩）破坏和剪切破坏。

层板的破坏是一个逐层破坏过程。当外加载荷增大到层板中某一层的破坏值时，这一层先破坏，载荷重新分配到其余诸层中，并依次使第二层、第三层、……直到最后一层破坏。因此，单向复合材料层板是研究层板破坏的基础。

强动载下复合材料加筋板的动力屈曲特性的研究，具有重要的学术价值和现实意义。本项目针对碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）加筋板结构，通过实验研究、数值模拟和理论分析，研究强动载下CFRP复合材料加筋板的动力屈曲特性，考虑对材料性能影响显著的应变率效应和复合材料固有的损伤特性。主要研究内容包括：高应变率下CFRP复合材料的动态力学性能及本构模型研究；建立CFRP复合材料加筋板结构冲击屈曲实验测试平台，提出高效的数值计算新方法，并通过动力屈曲理论分析方法，全面研究CFRP复合材料加筋板的冲击动力屈曲特性，同时关注其损伤模式及其演化规律。本项目的研究试图建立、发展和完善复合材料加筋板的动力屈曲特性的研究方法和手段，揭示材料性能、结构特性与复合材料加筋板的动力屈曲特性和损伤机理的内在联系，为其工程应用提供理论指导，力图提升我国相关行业的基础和应用研究水平。

强动载下复合材料加筋板的动力屈曲特性的研究，具有重要的学术价值和现实意义。本项目针对碳纤维增强聚合物基复合材料（CFRP）加筋板结构，通过实验研究、数值模拟和理论分析，研究强动载下CFRP复合材料加筋板的动力屈曲特性，考虑对材料性能影响显著的应变率效应和复合材料固有的损伤特性。主要研究内容包括：高应变率下CFRP复合材料的动态力学性能及本构模型研究；建立CFRP复合材料加筋板结构冲击屈曲实验测试平台，提出高效的数值计算新方法，并通过动力屈曲理论分析方法，全面研究CFRP复合材料加筋板的冲击动力屈曲特性，同时关注其损伤模式及其演化规律。本项目的研究试图建立、发展和完善复合材料加筋板的动力屈曲特性的研究方法和手段，揭示材料性能、结构特性与复合材料加筋板的动力屈曲特性和损伤机理的内在联系，为其工程应用提供理论指导，力图提升我国相关行业的基础和应用研究水平。