复合材料层合板非局部多尺度渐进失效理论研究

The research on the multiscale progressive failure theory of carbon fiber composite laminates has been an important foundamental research direction in the field of composites. However, the multi-scale progressive failure analysis often experiences the strain localization problem, which makes the pathological problem become the mathematical boundary value problem. Thus, the finite element results become dependent on the mesh sizes, and the representative microscopic cell models lose the rationality and objectivity, and then the multi-scale analysis also loses its significance. So far, at home and abroad little research is focused on the multiscale mechanical analysis of composite laminates by considering the strain localization problem. The project plans to propose a set of non-local macro-micro multiscale progressive failure theory of composite laminates, including a unified non-linear non-local damage thermodynamic model on the intralaminar damage and interlaminar delamination, the nonlinear interlaminar cohesive model and the non-local multiscale progressive failure method and finite element algorithm. Combined with the mechanical experiments of composite laminates, the strain localization problem in the multi-scale analysis is solved, which helps to promote the development of asymptotic homogenization theory of composites and to reveal the failure mechanisms as well as the stiffness and strength degradation mechanisms. This research shows important theoretical and practical values for enhancing the foundamental research level and structure design level in the field of composites.

碳纤维复合材料层合板多尺度渐进失效理论方法研究是当前复合材料领域中的重要基础研究方向。然而，多尺度渐进失效分析常常遇到应变局部化问题，结构边值问题成为数学上的病态问题，有限元分析结果依赖于网格尺寸，导致代表性微观胞元模型失去了存在的合理性和客观性，多尺度分析也失去了意义。至今，国内外在考虑应变局部化问题上的复合材料层合板多尺度力学性能研究非常少。本项目拟创新性地提出一套复合材料层合板非局部宏-微观多尺度渐进失效理论方法，包括统一的复合材料层内损伤和层间分层非局部损伤热动力模型、层间分层非线性内聚力模型、非局部多尺度渐进失效分析方法与有限元算法，结合复合材料力学性能试验，解决多尺度分析中的应变局部化问题，推动和完善复合材料渐进均匀化理论，揭示复合材料失效机理以及刚度、强度性能退化机理，对于提升复合材料领域的基础研究水平与结构设计水平、具有重要的理论价值和应用价值。

复合材料多尺度渐进失效理论方法研究是重要基础研究方向。然而，多尺度渐进失效分析常常遇到应变局部化问题，导致微观胞元模型失去存在的合理性和客观性，多尺度分析也失去了意义。至今，国内外在考虑局部化问题上的复合材料多尺度力学性能研究很少。在国家自然科学基金资助下，项目负责人系统地开展了复合材料非局部多尺度渐进失效理论研究，主要创新工作体现在6个方面：（1）在国际上原创性地提出一个预测复合材料层内损伤和层间分层的统一非局部理论模型和有限元数值算法，通过引入并实现非局部积分理论解决了复合材料中应变局部化带来的数值问题，（2）在国际上首次将零厚度3D内聚力数值技术应用于压缩载荷作用下的复合材料分层失效研究中，探讨了不同内聚力形状、内聚力强度对后屈曲与分层相互作用机理的影响规律，（3）在国际上原创性地提出了一个内聚力/摩擦接触耦合的本构模型，应用于剪切载荷作用下的复合材料分层失效研究，（4）提出了一个考虑含热残余应力的复合材料微观渐进失效有限元模型以及考虑应变局部化问题的Mori-Tanaka宏微观多尺度均匀化方法，（5）在国际上首次开展了湿热环境下复合材料层合板分层失效声发射测试技术研究，（6）发展了低速冲击载荷作用下弹性和弹塑性复合材料层合板动态层内渐进损伤和层间分层的理论模型和有限元数值技术。负责人以第一或通讯作者共发表SCI论文13篇（JCR工程类1区论文2篇、2区论文5篇）、EI论文4篇，申请登记软件著作权3项。研究成果对于解决多尺度分析中的应变局部化问题，推动和完善复合材料均匀化理论，揭示复合材料失效机理以及刚度、强度性能退化机理，提升复合材料领域的基础研究水平与服役性能预测能力、具有重要理论和应用价值。