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复合材料层合板脱层分析界面元性能研究与脱层数值模拟

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摘要

复合材料层合结构因其优异的力学性能而被越来越广泛地应用于不同的工程领域。虽然复合材料在纤维增强方向具有高比强度、高比模量等特点，但是它们铺层间的强度很低，尤其是在横向低速冲击等荷载下，层合结构内部会产生不可忽视的损伤，其力学性能将严重退化。脱层是复合材料层合板最为普遍的损伤形式之一，也是使层合结构的力学性能发生严重退化主要原因。随着复合材料层合结构的广泛应用，脱层破坏损伤分析也受到更多的关注。鉴于复合材料层合板脱层损伤主要是由界面层的破坏引起，对界面层材料的力学性能的分析以及合理的模拟与计算是分析层合结构脱层损伤的有效途径。
　　 本文的主要研究工作有以下三个方面。
　　 1首先，建立了一种基于粘接层的实际厚度和材料特性确定弹簧界面元等效初始刚度的计算模型。通过把所给弹簧界面等效刚度计算方法用于ANSYS中的非线性弹簧单元COMBIN39以及COMBIN14，对复合材料双悬臂梁(DCB)以及端边切口弯曲(ENF)实验进行了脱层扩展的有限元数值模拟；数值脱层预测结果与实验数据吻合。算例也表明，文中所给弹簧界面元等效刚度计算和长度确定方法不仅计算简单和准确，并且计算稳定。
　　 2其次，采用了数值模拟的方法研究了材料模型和强度准则对ANSYS中实体壳单元模拟粘接层的脱层预测结果的影响。文中分别在两种不同的材料模型基础上建立了相应的强度准则，并利用其单元生死功能有效模拟了脱层的物理过程。数值计算结果表明：本文所选取的不同强度准则下的计算结果均与实验吻合的较好；而采取固体壳单元以及单元生死功能来模拟由粘接层破坏引起的脱层的方法行之有效。
　　 3基于拟协调元理论的假设应变方法，从广义控制方程的弱形式出发，推导并构造了无各类自锁现象的三维实体壳单元。将所构造的单元应用于具有板壳类拓扑结构特征的问题中，计算结果表明该单元不仅精度高、收敛速度快，且具有计算量小的特点。
　　 本论文所给出的新的弹簧界面元等效初始刚度的计算模型和粘接层材料模型的建模方法对复合材料层合板结构脱层损伤数值模拟有很大的应用意义，所推导的拟协调实体壳单元经过完善可用于层合板的高效数值分析。

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