聚合物基复合材料宏细观多尺度损伤机理研究

Composites has been widely used in wind power and satellite because of its high stiffness ratio, high strengthen ratio and designability. The fracture of composites structure leads to disastrous accident due to microscopic damage,such as fiber breakage, matrix crack and interfacial debond.Damage behavior research of composites structure becomes a hot research topic. In this project, multi-scale damage mechanism of composites structure is studied.Based on Generalized Method of Cells, microscopic damage model of composites with random inclusion distribution is built. Moreover, microscopic damage evolution mechanism of composites in multi-field coupling conditions is studied. For composites structure, operator custom wavelet finite element method, which solves the low precision and low efficiency of traditional finite element method,is built to calculate stress-strain field of crack singularity region. In addtion, multi-scale method, which is fit for damage singularity analysis of composites structure is proposed. Failure mechanism from microscopic damage to macroscopic fracture is studied. After the studies mentioned above, Generalized Method of Cells and multi-scale method can be further enriched and developed. Safe operation ability of wind power and satellite will be enhanced.It will prevent the accident and yield remarkable social and economic benefits.

由于高的比强度、比刚度及可设计等优点，复合材料已广泛用于风电、卫星等大型装备上。纤维断裂、基体开裂、界面脱粘等细观损伤会引起复合材料结构宏观断裂，引发灾难性事故，开展复合材料结构损伤研究成为热点问题。本项目拟开展基于通用单胞方法的复合材料结构多尺度损伤演化机理研究。在细观尺度上建立夹杂随机分布的通用单胞损伤分析方法，揭示多场耦合作用下复合材料细观损伤演化机理；研究复合材料结构裂纹奇异域的算子自定义小波有限元构造方法，弥补传统有限元方法在多尺度计算中存在的精度差、效率低等不足，有效求解裂纹奇异域应力应变场；提出适合于复合材料结构损伤奇异性分析的多尺度建模方法，阐明细观损伤到宏观断裂的失效机制。针对卫星太阳翼、风电叶片复合材料结构开展实验验证与应用研究。通过本项目的研究，有望进一步丰富和发展通用单胞方法、多尺度建模方法，提高卫星和风电设备安全运行能力，预防事故的发生，取得显著的社会和经济效益。

本项目围绕复合材料结构多尺度损伤问题开展研究。在细观尺度下，结合复合材料真实夹杂分布图像，建立纤维复合材料的非线性通用单胞方法，研究夹杂分布、体积含量等参数对复合材料宏观力学行为的影响；为了克服采用规则子胞单元离散代表体积单元引起的应力集中问题，对规则子胞单元进行等参变换，根据相邻子胞位移以及应力连续条件，提出了复合材料三维参数化细观力学模型，有效求解了复合材料单元刚度矩阵及细观应力场，为揭示细观局部损伤、演化及失效机理提供了重要支撑；建立弱界面粘结条件下复合材料细观损伤模型，研究单轴、双轴作用下复合材料失效特性；建立力-热耦合模型，揭示了热残余应力条件下界面损伤、复杂热载荷环境下复合材料的失效特性；在层板尺度下，构造满足要求的小波基函数，建立二代小波有限元模型，可实现复合材料层板单元刚度方程的有效求解。结合经典层板理论，将细观力学模型带入沿层板厚度方向的积分点，建立了层板复合材料结构宏细观非线性力学模型，揭示了铺层结构、加载方式对典型层板结构失效特性的影响，并将计算结果与实验结果对比验证了算法的有效性；在宏观尺度下，结合ANSYS有限元平台APDL参数化编程的前处理功能及LS-DYNA非线性动力分析功能，发展了复合材料结构ANSYS/LS-DYNA联合建模求解技术，提出了基于单胞模型的多尺度损伤分析方法，研究了载荷应变率对复合材料非线性力学特性的影响。建立了层板复合材料多尺度损伤分析模型，分析了含损伤复合材料层板裂纹扩展变化规律，通过与试验对比验证了算法有效性；搭建了光纤传感网络损伤试验平台，以小型风电叶片复合材料结构为对象，研究了集中载荷作用下的力学特性，为进一步开展服役环境下的复合材料结构损伤监测奠定了基础。项目执行期间共发表学术论文12篇，其中SCI收录10篇，参与国内学术会议3次，培养硕士研究生4人。获陕西高等学校科学技术一等奖、陕西省科技成果二等奖各1项。课题组相继成功申请国家自然科学基金面上项目共2项。