含分层损伤的船舶复合材料层合板可靠性研究

The mechanical properties of composite materials are closely related to the production processes. Production defects may cause the dispersion and randomness of the mechanical properties. These defects may induce cracks in service and result in fiber breakage, matrix cracking and delamination. Moreover, it is difficult to accurately predict the failure strength of laminated plates due to their anisotropic properties and various failure modes.The in-plane failure, delamination and out-plane matrix cracking induced by the interlaminar stress, are considered in this project. Progressive failure analysis is used to predict the ultimate strength and reliability analysis is performed based on the ultimate limit state. The method presented in this project investigates the influence of delamination on the strength and reliability of composite structures. The study enhances the theory and practice of composites in ships. This is not only the new demand of modern ships but also key scientific problems faced with the marine industry.

复合材料的力学性能与加工制作过程密切相关，加工缺陷的存在和加工过程中的其他变化都会引起材料力学性能的分散性和随机性。这些缺陷在使用过程中会诱发裂纹产生，导致纤维断裂、基体开裂以及分层裂纹扩展。而且复合材料各向异性强，失效形式多且相互联系的特点使得精确预测复合材料层合板的失效强度非常困难。为此，本文提出的失效模型综合考虑了层合板的面内失效和层间应力引起的分层失效和横向基体开裂，在此基础上采用逐步失效的分析方法对层合板的失效行为进行了数值分析。并建立基于极限承载能力的可靠性分析方法，揭示分层对复合材料层合板结构的可靠性的影响。这将会进一步提高先进复合材料船舶的理论和应用研究水平。这既顺应了现代船舶结构材料的新需求，亦是我国在船舶领域所需面对的关键问题。

复合材料的力学性能与加工制作过程密切相关，加工缺陷的存在和加工过程中的其他变化都会引起材料力学性能的分散性和随机性。这些缺陷在使用过程中会诱发裂纹产生，导致纤维断裂、基体开裂以及分层裂纹扩展。而且复合材料各向异性强，失效形式多且相互联系的特点使得精确预测复合材料层合板的失效强度非常困难。本研究采用内聚力模型、虚拟裂纹闭合技术、界面单元技术以及渐进失效分析模型，采用数值方法与试验相结合的方法，探索带有初始分层的复合材料层合板模型的极限载荷、破坏模式和可靠性，主要研究内容包括：1）设计带有不同初始裂纹尺寸和位置的复合材料层合板试验模型;2）对不同的初始裂纹位置的复合材料层合板极限承载能力的影响试验研究;3）采用数值方法研究分层的初始化和裂纹扩展以及载荷承载能力的降低;4）带有分层损伤的复合材料层合板的可靠性研究。通过研究掌握层合板分层损伤初始化以及裂纹扩展的机理与规律，为复合材料层合板的强度与可靠性研究提供基础性理论支撑。