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复合材料层压板的强度有限元分析

发布于:2020-03-25 19:37
有限元分析

       复合材料结构剩余强度的研究对象主要分为两类:一类是冲击损伤后的复合材料结构,由于冲击能量的不同,会对复合材料结构造成分层、穿透等不同程度的损伤或破坏;一类是含孔的复合材料结构,由于结构设计的需要,会在复合材料结构上开1个或多个孔。Jun-JungXion,S.Sanchez-SaezL,F.CesariL3L,ShiXunWang等对冲击损伤后的复合材料结构的拉压剩余强度进行了有限元分析研究,得到了温度、冲头直径、冲击能量等对复合材料结构剩余强度的影响。ChunH.WangLSL,S.Kazemahvaz等对含孔复合材料结构的剩余强度进行了研究,得到了单孔及多孔复合材料结构剩余强度的试验及有限元分析数据。
       复合材料剩余强度的研究方法主要有试验、工程估算和有限元分析,R.D.S.G.CampilhoL等用有限元方法研究了修补后复合材料结构的剩余强度,T.P.PhilippidisL等用理论和试验研究了复合材料结构疲劳引起的剩余强度退化。左惟炜等用TsaiWu张量理论作为复合材料结构强度准则计算三维编织复合材料矩形梁的强度。贾建东、崔海坡等使用不同的材料参数退化方法对复合材料结构强度进行了研究。本文使用TsaiWu张量理论作为强度准则,使用文献中的材料性能退化方法作为渐进损伤的刚度折减方法,使用Abaqus有限元App及USDFLD用户子程序对含单孔的复合材料层压板进行剩余强度研究,得到了与试验结果非常接近的有限元分析结果。
       本文研究对象为T700 A9916复合材料层压板,由25层厚度为0.15mm的单层板组成,层压板总厚度为3.75mm,铺层顺序为0/45/-45/45/90/,对于复合材料层压板,常用的强度理论有强度理论、TsaiWu张量理论等。本文使用TsaiWu张量理论作为复合材料层压板的强度准则。TsaiWu张量理论的高阶张量多项式的一般形式在有限元渐进损伤分析过程中,对破坏单元的刚度折减方法有多种,在有限元分析中较容易实现的方法是改变破坏单元的材料属性,通过降低材料性能以达到降低单元刚度的目的。复合材料层压板单元采用的材料性能退化方法如表。1方向为复合材料层压板各铺层的纤维方向,2方向为各铺层面内与纤维方向垂直的方向,3方向为各铺层的法向。根据材料性能退化方法,表2中的9种破坏模式可以简化为6种基本破坏模式,即3个方向拉压破坏和3个面内剪切破坏。这6种基本破坏模式可以任意组合,总共有63种组合破坏模式。在有限元分析中,单元的材料性能不能全为0,故当复合材料层压板发生纤维方向(1方向)拉压破坏时,弹性模量和剪切模量不能退化为0,在本文的实际应用中,弹性模量和剪切模量调整为原值的0.01%,泊松比为原值的1%。
       复合材料层压板剩余强度分析的方法有试验法、工程估算法和有限元法等,其中有限元法成本低、效率高、分析结果较精确,得到了广泛应用。有限元渐进损伤分析结合相应的强度准则可以模拟复合材料层压板的破坏过程,并得到较精确的剩余强度。有限元渐进损伤分析包括应力分析、破坏分析、刚度折减三部分。应力分析可以得到单元的应力;破坏分析是将单元的应力代入某种强度准则,计算该单元在当前应力状态下是否发生破坏;如果发生破坏,则根据破坏模式对单元进行刚度折减,即材料性能退化。


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