纤维增强复合材料圆柱壳冲击损伤的近场动力学模拟及其实验验证

Fiber-reinforced composite laminate structures (FRCLS) are extensively used in aircraft structures. However, the integrity of FRCLS is easy to be broken due to collision and impact. So evaluation to impacting damage of FRCLS is a key subject in modern aircraft design technology. At present, there are many obstacles not to be surmounted in the evaluating technique of impacting damage based on finite element method. On the other hand, peridynamics has inherent advantage in the aspect to analyze damage and fracture. Therefore, the aim of this project is to propose a model and technique to evaluate the impacting damage in FRCLS based on peridynamics. Starting from the basic principles of peridynamics, we will study the interaction mechanism and damping effect of fiber bond, matrix bond, fiber-matrix bond and interlayer bond in FRCLS and their representation. The homogenization method and mixed law for FRCLS will be constructed in the framework of peridynamics, and rate-dependent peridynamic constitutive model of FRCLS will be established. Meanwhile, we will explore the coupling between peridynamics and finite element method from the angle of computation, and complete simulation, analysis and experimental verification to the impacting damage process of fiber-reinforced composite cylindrical shells subjected low-velocity and high-velocity impact. Through this project, we will provide a new model and technique to evaluate the impacting damage of fiber-reinforced composite laminate structures.

现代飞行器广泛使用了纤维增强复合材料层合结构，由于这种结构的完整性易受碰撞与冲击的影响，因此，冲击损伤的评估成为飞行器设计技术需要解决的关键问题。基于有限元计算的传统评估方法，目前已面临许多难于逾越的障碍，而近场动力学在处理损伤与断裂等不连续问题具有天然优势。因此，本项目的目的即在于建立纤维增强复合材料层合结构冲击损伤的近场动力学评估模型与方法。为此，我们拟从近场动力学的基本原理出发，研究纤维增强复合材料中的纤维健、基体健、纤维—基体健与层间健的作用机理、阻尼效应以及数学表示，构建在近场动力学框架内纤维增强复合材料的均匀化方法及混合律，建立纤维增强复合材料的近场动力学率相关本构模型，实现近场动力学与有限元法的计算衔接与匹配，完成从低速到高速对纤维增强复合材料圆柱壳冲击损伤过程的模拟、分析与实验验证。本项目的完成将为纤维增强复合材料层合结构的冲击损伤评估提供新的方法与技术手段。

纤维增强复合材料层合结构的完整性易受碰撞与冲击的影响，其冲击损伤的评已估成为迫切需要解决的关键问题。基于有限元计算的传统评估方法，目前已面临许多难于逾越的障碍，而近场动力学由于放松了对位移场的连续性要求，具有模拟损伤、断裂等不连续性问题天然的优势。因此，本项目围绕纤维增强复合材料层合结构冲击损伤的近场动力学评估模型与计算方法展开研究，取得了如下成果：.提出了一个新的近场动力学运动方程，该方程与传统的位移、应力边界条件相容，便于处理具有复杂边界条件的实际工程问题。.将Noether定理拓展到近场动力学，并予以了严格证明，获得了Ashelby积分的近场动力学形式，为在近场动力学框架内计算能量释放率奠定了基础。.基于态型近场动力学与物理非局部弹性理论，分别求解了一维拉伸与波动问题，获得了解析解，揭示了近场动力学位移解的奇异性与波动反常色散的物理根源在于没有反映接触相互作用的局部应力，为完善近场动力学理论提供了新思路。.基于混合律及均匀化方法，发展了针对纤维增强复合材料的纤维健、基体健、纤维—基体健与层间健的近场动力学率相关本构模型；基于三体势，构建了键型近场动力学弹性本构模型以反映变形的Possion效应；完成了纤维增强复合材料层板、曲板与圆柱壳冲击损伤过程的数值模拟与实验验证，结果证实了近场动力学模型的有效性。.本项目的完成为纤维增强复合材料层合结构的冲击损伤评估提供了新的理论、方法与技术途径，达到了预期目标。