大型复合材料结构冲击响应与损伤分析的高效数值模拟新方法研究

In recent years, composite materials have been widely used in aircraft structures, from the secondary structures to the primary load-bearing structures, such as fuselage, wings, and so on. Due to the sensitivity of the composite material to the damage and the particularity of the large structure, the numerical simulation efficiency for the large composite structure has become a challenge for engineering designers. Aim at improving the computation efficiency and accuracy, this study explores a new implementary approach to achieve high efficiency simulation of the impact response and damage prediction for large composite structure. A solid shell element with weak dependence of the mesh scheme and its algorithm are proposed for efficient computation of large composite structures; For the cohesive elements at the composite interface, an adaptive algorithm combining with the damage criterion is developed, so as to ease the limitation on the element size within the cohesive zone, and improve the computational efficiency in simulation of the composite delamination; Meanwhile, experimental technologies to measure the dynamic properties of inter and intralaminar are investigated, and the dynamic constitutive relationships are described, to provide reliable material parameters for the numerical simulation of impact response and the damage prediction of large composite structures. Based on these studies, a new numerical simulation method with high efficiency is established for numerical simulation of dynamic problems for large composite structures, in order to meet the need of R&D for China's large aircraft, and to provide technical supports for further applications of composite materials on large engineering structures.

近年来，复合材料在飞机结构上的应用取得了飞速的发展，已由最初应用于次承力结构，发展到机身、机翼等主承力结构。由于复合材料对损伤的敏感性及大型结构带来的特殊性，大型复合材料结构的数值模拟效率已成为困扰工程设计人员设计分析的难题。本课题将针对大型复合材料结构冲击响应与损伤分析的数值模拟问题，以提高计算效率及计算精度为目标，提出一种弱网格依赖性，适用于大型结构高效分析的单元及其算法；并针对界面单元发展基于损伤判据的自适应算法，以缓解复合材料分层损伤模拟过程对内聚区单元尺寸的限制，提高大型复合材料结构分层损伤模拟的计算效率；同时，研究复合材料层内与层间动态特性的测试技术与材料本构描述，为复合材料结构冲击响应与损伤分析的数值模拟提供可靠的材料参数。在此基础上，创建大型复合材料结构动力学问题的高效数值模拟新方法及其软件实现，为我国大飞机研制，也为复合材料在大型工程结构的进一步应用提供技术支持。

复合材料在飞机结构上的应用取得了飞速的发展，已由最初应用于次承力结构，发展到机身、机翼等主承力结构。由于复合材料对损伤的敏感性及大型结构带来的特殊性，大型复合材料结构的数值计算效率已成为困扰工程设计人员设计分析的难题。本项目针对大型复合材料结构冲击响应与损伤分析的数值模拟问题，以提高计算效率及计算精度为目标，提出了一种弱网格依赖性，适用于大型结构高效分析的单元及其算法，并研究了复合材料层间损伤高效模拟方法，提高大型复合材料结构分层损伤模拟的计算精度与效率；同时，研究复合材料动态特性及材料的本构描述，为复合材料结构冲击响应与损伤分析的数值模拟提供可靠的材料参数。在此基础上，创建大型复合材料结构动力学问题的高效数值模拟新方法及其软件实现，并将研究成果应用于飞机复合材料机翼的抗鸟撞研究，为复合材料在大型工程结构的进一步应用提供了有力的技术支持。.项目组2017年-2020年有本项目资助的论文共发表22篇，其中SCI二区收录文章7篇，SCI三、四区收录文章11篇，会议交流论文3篇。授权国家发明专利2项。