层合复合材料结构的粘聚区扩展有限元模型研究

Cohesive zone model based extended finite element is a potential method for failure analysis of laminated composite structure. The current research is focused on the simulation of interface failure . But the basic research on the precision and convergence problem of the model itself, analysis of intralaminar damage and multi-damages are lack.The main problems include: the influence of enriched shape function on precision and convergence, prediction on interlaminar fracture toughness, extended finite element simulations of compression failure and coupling of multi-damages . Based on both theoretical and experimental analyses ,the thoughts and methods will be raised to solve these problems,including as follow:(1)Based on damage characteristics of cohesive zone, a new enriched shape function and a corresponding method of smoothing strain field are proposed;(2) A prediction method of interlaminar fracture toughness is proposed,which is based on the mesoscopic failure mechanism of delamination ;(3) According to the mesoscopic failure mechanisms of unidirectional laminate under compression loading ,a extended finite model is proposed to analyze the process of the shear failure induced by comprossive load;(4)As coupling term is added to the expression of the displacement field, coupling between multi-damages could be simulated. The solution of these problems play an important role in establishing an failure evaluation method of laminated composite structure via extended finite element method.

基于粘聚区模型的扩展有限元法是分析层合复合材料结构失效问题的一种很有前景的方法。目前的研究工作侧重于该模型在界面失效问题的应用研究，而对模型本身存在的精度、收敛性问题以及层内失效、多损伤失效的分析问题缺乏基础研究。存在的主要问题包括：扩充形函数影响仿真精度、收敛性的问题，层间断裂韧性的预测问题，层内压缩失效及多损伤耦合问题的扩展有限元模拟问题。通过理论与实验研究，提出解决问题的思路与方法，主要包括：(1) 基于粘聚区的损伤扩展特点,提出一种新的扩充形函数的构造方法及应变场平滑处理方法；(2) 提出基于分层的细观失效机理的层间断裂韧性的预测方法；(3) 根据压缩模式下单层板的细观失效机理，提出层内压缩致使的剪切滑移失效的扩展有限元模型；(4)通过在位移场中置入耦合项的方式，实现多损伤耦合作用的扩展有限元模拟。这些问题的解决为建立基于扩展有限元模型的层合复合材料结构的失效评估方法奠定理论基础。

基于粘聚区模型的扩展有限元法是分析层合复合材料结构失效问题的一种很有前景的方法。目前的研究工作侧重于该模型在界面失效问题的应用研究，而对模型本身存在的精度、收敛性问题及层内失效、多损伤失效等关键技术问题缺乏研究。针对这些关键技术问题，通过理论与试验研究，完成的主要工作包括：（1）构建了基于NURBS曲面的高阶扩展有限元模型，用于模拟层合复合材料结构的层间分层损伤的扩展过程，有效地实现了粘聚力分布从粘聚区到完全失效区的平滑过渡，增大了粘聚区模型所需的最小网格尺寸；（2）构建了预测不同铺层间断裂韧性的细观模型，建立了离位增韧和Z-PIN增强复合材料结构的界面失效分析的试验与仿真技术；（3）从复合材料层内损伤失效的细观机理出发，结合层内损伤的失效判据，建立了基于层内损伤模式的粘聚区扩展有限元模型，该模型不仅可用于模拟层内拉伸失效模式，也可用于模拟层内压缩载荷所致的剪切破坏失效模式；（4）根据复合材料层内损伤与层间损伤相互耦合的细观机理，建立了多损伤耦合的扩展有限元模型，并采用该模型对复合材料加筋壁板的冲击后轴压破坏试验进行了仿真，探究了其冲击失效机理及冲击后压缩损伤扩展机制，为飞机结构中复合材料加筋壁板的损伤容限设计和对比选型提供设计建议。