纤维增强复合材料结构多尺度多模式损伤耦合扩展的渐进失效行为研究

With the significantly increasing amount of composite materials on China's large aircraft structures from current 12.5% to 50% in the future 10 years, a comprehensive original innovation stage for composite structure science and technology is approaching. One of the key problems for developing the composite structure science and technology is to establish advanced failure theories for composite structures. Based on the previous investigation on the failure mechanism and failure theories of composite bolted and adhesive-bonded joints, the applicant further focuses on the in-plane tension and compression behavior of composite laminates and hole laminates, the interlaminar delamination behavior of composite laminates, the failure of composite laminates under low velocity impact and compression after impact, and the buckling of composite stiffened structures. Based on multi-scale analyses, the common knowledge among the different failure behavior of various fiber reinforced composite structures will be systematically extracted by synthetically applying the advanced numerical and experimental methods. The multi-scale progressive failure mechanism of fiber reinforced composite structures led by a complex coupling of multi-mode damage will be revealed. A series of unified failure criteria and material degradation models for general fiber reinforced composite structures will be established. Some novel failure prediction methods for some typical fiber reinforced composite structures will be further developed. Integrated with the current fruits, the failure prediction methods for fiber reinforced composite structures will be further consummated. All of the work will establish the foundation of the advanced failure theories for general fiber reinforced composite structures, which further provide theoretical and technical supports for improving the amount and efficiency of composites on China's large aircraft structures.

未来10年，我国大型客机复合材料用量将由12.5%达到50%，复合材料结构技术研究将全面进入原始创新阶段。其核心问题之一是建立先进的复合材料结构破坏理论。在前期针对复合材料连接开展的结构失效机理和破坏理论研究的基础上，申请人拟进一步针对层压板/孔板面内拉压失效、层间分层失效、层压板低速冲击以及冲击后压缩失效、加筋结构的压缩失稳等问题开展研究。采用多尺度的思想，综合应用先进的计算方法和试验测试手段，系统研究纤维增强复合材料结构失效行为中的共性问题，揭示纤维增强复合材料结构多尺度多模式损伤耦合扩展的渐进失效机理，建立具有统一表述形式的纤维增强复合材料结构失效准则和材料性能蜕变模型，发展和完善纤维增强复合材料结构的失效预测方法，为建立先进的纤维增强复合材料结构破坏理论奠定基础,并进一步为提高大型飞机结构复合材料用量和使用效率提供理论和技术支持。

先进复合材料在飞行器结构上的用量是飞行器先进性和市场竞争力的重要标志，而先进复合材料结构的破坏理论是保障先进复合材料结构安全性和完整性的核心技术之一。本项目结合工程实际深入研究了先进复合材料结构的失效理论，主要研究成果包括：（1）揭示了复合材料结构多重损伤耦合扩展的渐进失效机理。基于试验测试和有限元分析，建立了失效模式相关的复合材料性能蜕变模型，揭示了复合材料结构多重损伤耦合扩展机理；建立了湿热环境下的复合材料结构失效预测模型，揭示了湿热环境下的复合材料失效机理；（2）建立了纤维增强复合材料结构多模式损伤耦合扩展的失效模拟方法。研究了纤维桥联作用下的复合材料层合板分层扩展行为，形成了高精度的复合材料层间性能评价方法；建立了含缺陷层板在压缩载荷作用下的失效预测方法；建立了复合材料层板低速冲击预测模型；（3）建立了典型纤维增强复合材料结构多尺度失效模拟及综合验证方法。提出了高精度的复合材料连接结构钉载分配分析方法和测试方法；建立了金属-复材混合连接结构的竞争失效分析模型，揭示了竞争失效机理。相关成果作为主编出版航空宇航科学与技术教材出版工程教材《航空航天复合材料力学》；在国际复合材料领域高水平期刊上发表SCI论文36篇，在复合材料学报等期刊上发表EI论文8篇，在国内核心期刊及学术会议上发表论文14篇；授权发明专利8项，受理发明专利7项；结合承担单位相关专业研究生教育和学科建设，培养出站博士后1名，培养毕业博士生4名、硕士生8名；组织及参加国内外学术会议19次，在国内外会议和学术机构做邀请报告13次，担任国际国内学术会议分会场主席及评委7次，成功组织“北京力学会年会”、“北方七省市区力学与工程研讨会”等学术会议；获得北京航空航天大学教学优秀奖二等奖、中国力学学会全国徐芝纶力学优秀教师奖等，于2021年受聘教育部“长江学者”特聘教授。