复合材料层合板弹性参数和失效强度多尺度预测和损伤演化过程分析.docx

复合材料层合板弹性参数和失效强度多尺度预测和损伤演化过程分析 一、工程背景20世纪60年代末和70年代初，以碳纤维复合材料为代表的高性能复合材料的成功研制，加速推进先进复合材料在航空航天、船舶、汽车、工程建筑等领域的广泛应用。先进复合材料具有比强度大，比模量高，可设计性强，抗疲劳性能优异，耐腐蚀性好，以及结构整体成型性等诸多特性，是轻质高效结构设计的理想材料之一。先进复合材料用于飞机结构上，还可改善飞机的气动弹性特性、提高飞行性能和降低全寿命成本。现代飞机发展趋势表明，先进复合材料在机体结构中的使用比重和应用部位已成为衡量飞机结构设计水平先进性的重要指标之一。?复合材料的优异性能加快了其在现代飞机结构上的大量应用，所应用部位由最开始的承力很小的简单元构件，到次承力构件，再到现阶段的主承力构件。 在固定翼飞机上，空客A380客机的复合材料用量达到结构重量的25%（复合材料为22%，GLARE为3%）；波音787客机的主机翼和全机身使用全复合材料，该机复合材料用量占到机体结构重量的50%；而与波音787竞争的空客A350XWB客机的复合材料用量更是高达53%。 在旋翼机上，RAH-66武装直升机上复合材料用量达结构重量的50%以上；V-22倾转旋翼机上复合材料用量到达了结构重量50%；欧洲最新研制的虎式（Tiger）直升机，其复合材料用量高达80%。 在无人机上，复合材料的用量可达到全机结构重量的60%~80%。在“全球鹰”高空长航时无人侦察机上，除机身主结构外其余结构均为复合材料制成，复合材料用量约占结构重量的65%；X-47A无人攻击机整个机体上除一些接头采用铝合金外几乎全部采用了复合材料，堪称全复合材料飞机。 在国内，随着国家大型客机、大型运输机的研制以及新型先进无人机的问世，复合材料在民用和军用飞机结构上的应用将得到大幅度的提升，应用比重和结构部位也越来越多。目前，虽然复合材料占飞机结构比重越来越高，但国内工程师们对复合材料的设计和使用还相当保守，复合材料的优异性能尚未得到尽情展现。这归根结底主要是国内对复合材料损伤破坏机理以及损伤失效方法的工程应用研究还不够深入。?纤维增强复合材料是一种多相材料，具有各向异性、不均匀性、铺层可设计性、损伤模式多样性以及三维层合效应，因此，复合材料层合板的损伤机理非常复杂。常见的失效模式包括：纤维断裂，基体失效，纤维基体界面脱粘和分层等损伤模式，如图1所示。在实际使用中，由于受载形式复杂，损伤模式间相互影响与诱导，表现出更复杂的耦合损伤行为。复合材料结构通常采用单层板失效准则进行评估，将每层应力或应变状态与单层板许用强度值和应变进行比较。常用的单层板失效理论包括：Tsai-Wu准则、Hashin准则、Puck准则、Cuntze准则、LaRC 03/LaRC 04/LaRC 05准则和Smear Crack准则等十几种。复合材料的失效准则分为基于唯象和基于物理机制。基于唯象的失效准则由各向异性材料屈服准则发展而来，这些准则在构造时不区分复合材料的失效模式，如Tsai-Wu准则。而基于物理机制衍生出的准则从一开始就考虑了复合材料不同的损伤机理，例如Hashin准则、Puck准则和LaRCs系列准则。 图1 复合材料层合板失效模式复合材料的宏观性能与组分材料的性能和细观特征密切相关，宏观结构的破坏起源于组分材料的细观损伤，研究宏观性能需要先确定细观尺度上的应力应变分布。复合材料宏观力学基于均匀化假设，忽略了组分材料之间的相互影响。为了充分发挥复合材料可设计性的优势，挖掘复合材料应用的潜能，就要求深入研究组分材料的失效机理，从细观力学角度更加精细地模拟复合材料结构的整个失效过程。但是，若完全从细观尺度来建立分析模型又受现有计算能力和计算效率的限制。因此，有必要发展一种多尺度分析方法来建立起宏观结构同与宏观表象相关的细观尺度的物理现象之间的联系，这样既保证了宏观分析的高效率，又保证了重要关键细节具有细观模型的精度。通过使用多尺度分析方法，建立跨尺度下复合材料宏观性能与组分材料性能之间的关系，可以将细观力学方法应用于工程问题中。多尺度力学问题的研究具有重要的理论价值和工程应用前景，这也是当前复合材料力学的前沿领域。在此背景下，本文从细观力学角度出发研究组分材料失效机理，给出一种基于物理失效机理的复合材料细观弥散裂纹失效（Smear crack）和周期性边界条件，建立复合材料层合板结构与细观结构相结合的多尺度分析方法，预测预浸润料及其层合板的力学参数和失效强度，为扩大复合材料工程实际应用提供一种策略。二、周期性边界条件周期性边界条件(Periodic Boundary Conditions, PBC)是边界条件的一种，反映的是如何利用边界条件替代所选部分（系统）受到周边（环境）的影响。可以看作是如果去