纤维增强复合材料损伤识别与损伤演化研究

In this project, we aim to study the key mechanics issues in damage identification and damage evolution for fiber reinforced composite plates and shells, including stiffened plates and shells. One of the main tasks is focused on the improvement of Lamb wave propagation theory and numerical analysis methods, to reveal the relationship between Lamb wave propagation and damages under complicated boundary conditions, and then to develop the damage identification technology based on the Lamb wave. Based on the damage identification technology, the other one is to develop failure criteria, and models and numerical methods for damage evolution in composite laminates, and then to analyse the damage evolution and interactions, and predict the load-carrying capacity of damaged composite structures. This study will promote the wave motion and failure theory for composite structures, will improve the identifying level on composite structure safety assessment, and will provide a basis for establishing a reliable, fast and intelligent composite materials structural health monitoring system.

本项目以纤维增强复合材料板、壳（包括加筋板、壳）结构为研究对象，研究纤维复合材料损伤识别和损伤演化中的关键力学问题。其中包括：研究结构中Lamb波传播理论与数值分析方法，揭示复杂形状、复杂约束条件下的复合材料结构Lamb波传播规律及其与典型损伤的相互作用关系，发展基于Lamb波的损伤识别技术；基于损伤识别，研究复合材料强度理论和损伤演化预测的理论与数值工具，分析复合材料结构内部典型损伤的发展演化规律及相互耦合作用规律，预测结构剩余承载能力。本项目的研究将在推动固体力学波动理论和复合材料结构强度理论的发展，提高复合材料结构安全评估水平等方面具有重要意义，并将为可靠、快速、智能化的大型复合材料结构健康监测系统的建立提供依据。

本项目以纤维增强复合材料板、壳（包括加筋板、壳）结构为研究对象，研究纤维复合材料损伤识别和损伤演化中的关键力学问题。其中包括：研究结构中 Lamb 波传播规律及与损伤的相互作用;发展基于 Lamb 波、振动的损伤识别技术;研究含损伤复合材料结构的破坏准则和损伤演化计算模型;分析复合材料结构内部典型损伤的发展演化规律及相互耦合作用规律，预测结构剩余承载能力。本项目完成上述研究计划，达到了预期目标。主要成果是：发展了层合板中Lamb波传播理论和数值方法；针对复合材料层合板中层裂、孔洞，以及加筋板中脱粘等损伤，研究了Lamb波与损伤的相互作用关系，提出了基于 Lamb 波的损伤识别方法;针对复合材料复杂结构及多损伤情况，提出了基于振动模态的无基准、定量损伤识别方法，实现了复合材料大开口板和轻质点阵结构的损伤检测；自主搭建了微波非接触无损检测平台，发展了微波无损检测技术，对蜂窝夹芯板、玻纤板、复合材料加筋板等结构的表面和内部多种典型缺陷做了检测和评估，获得了高/超分辨的检测图像；针对已有的复合材料强度准则（包括著名的Puck准则）都存在不同形式的弱点，发展了改进的复合材料层合板Puck强度准则，预测任意铺层的复合材料层合板的强度和疲劳性能；提出了一种新的复合材料纤维间失效强度理论，并将其拓展为率相关强度理论，该强度理论预测结果能较好地符合复合材料在不同应变率下的实验结果；发展了一种全新的可处理复合材料任意裂纹扩展的增强有限元方法；以大开口复合材料层合板的损伤破坏为例，研究了复合材料损伤产生和演化过程的分析方法，探索了铺层方式对损伤产生及其演化过程的影响，分析了复合材料结构内部损伤的发展演化及相互耦合作用的规律。本项目的研究在推动固体力学波动理论和复合材料结构强度理论的发展，提高复合材料结构安全评估水平等方面具有重要意义，并将为可靠、快速、智能化的大型复合材料结构健康监测系统的建立提供依据。