多物理场耦合下复合材料结构疲劳失效机理研究

Composites have been widely used in aircraft and other large equipment. In service, the macroscopic fracture of composite structures, which leads to disastrous accident, is derived from the microscopic damage, such as fiber fracture, matrix crack and interfacial debonding. The studies of fatigue failure mechanism for composite structures in multi-physical field couplings become a hot research topic. In this project, the hexahedral isoparametric element method is investigated for modeling the three-dimensional models with a high computational fidelity at microscopic scale. The relations between the microscopic structural parameters, interfacial properties and the nonlinear behaviors, fatigue mechanism are investigated. In the modeling framework of three-dimensional microscopic model, the coupling micromechanical model among thermal field, elastic field and acoustic field, is presented to reveal the interaction relations among three different environments. Meanwhile, the solution strategies and methods are further studied. Moreover, the method refers to the fatigue failure mechanism is presented. The evolution rules and failure mechanism from the fatigue crack at microscopic scale to the structural failure in condition of multi-physical field couplings are explained. And the fatigue life will be predicted. At last, the theory is further applied to the composite wing structure. The project is derived from the academic frontiers and the urgent needing of practical application. The studies try to make the breakthrough in multi-physical field coupling theory and fatigue failure method. After the studies, the safety and reliability will be further enhanced. Meanwhile, the results will show important theoretical meanings and engineering values.

复合材料已广泛用于飞机等大型装备上。服役环境下复合材料失效表现为由细观多种损伤（纤维断裂、基体开裂、界面脱粘）发展到结构宏观断裂，多场耦合下复合材料的疲劳失效机理研究成为研究热点。本项目从复合材料三维高精度细观建模入手，研究六面体等参单元构造方法，阐明细观结构参数、界面粘结与复合材料非线性力学行为、疲劳失效机理的关系；在三维高精度细观建模框架下，提出热-力-声多场耦合模型，研究耦合模型的求解策略与方法，揭示多物理场之间的相互作用机理；提出多场耦合条件下复合材料多尺度疲劳失效机理分析方法，阐明热-力-声耦合下细观疲劳裂纹的萌生、扩展到结构失效的演化规律与失效机理，实现寿命预测；针对机翼复合材料结构开展工程应用。研究工作源于学科前沿和工程实际的迫切需求，有望在场耦合理论、疲劳失效分析方面有所突破，提高复合材料构件在使用中的安全性与可靠性，具有重要的理论意义与工程应用价值。

纤维增强、颗粒增强、编织物以及短纤维增强复合材料由于重量轻、比强度和比模量大等优点已广泛用于飞机、风电等大型装备上。然而，高端装备工作环境往往恶劣，由于疲劳、温度变化等因素影响会对复合材料结构产生不同程度的损伤甚至疲劳破坏。因此，揭示复合材料结构服役环境下的失效机制刻不容缓。本项目从细观尺度入手，构造了四边形、六面体等参单元，以代表体积单元为研究对象提出了二维、三维高精度参数化细观力学模型，阐明细观结构参数、界面粘结属性与复合材料非线性力学行为、失效强度的关系。针对随机短纤维复合材料，提出了基于CT图像的二步细观等效建模方法，有效分析了孔隙对随机短纤维复合材料非线性力学行为的影响，通过实验验证了算法的有效性；在多场耦合分析方面，提出了热-力耦合、电-磁-力耦合分析模型，揭示了循环温度以及电-磁-力耦合条件下复合材料细观失效机理。在Chaboch方程的基础上，提出了适用于热-力耦合环境下的疲劳寿命分析方法，研究了不同循环载荷作用下复合材料疲劳寿命；在多尺度建模方面，结合层板理论，提出了热-力耦合下复合材料层板结构宏-细观多尺度失效分析方法，研究了循环热载荷对复合材料层板结构失效强度的影响。针对风电叶片等复杂曲面结构，采用逆向技术高精度获取结构点云数据，并将重构后的三维叶片模型导入ANSYS/LS-DYNA 软件，建立风电叶片复合材料结构宏观有限元模型。在此基础上，提出了风电叶片复合材料结构三尺度建模方法，探索了纤维、基体的损伤演化规律，揭示了失效机理。研究工作源于学科前沿和工程实际的迫切需求，在细观建模理论、热-力耦合疲劳分析方法、复杂曲面复合材料结构多尺度分析方面均有所突破，为复杂曲面复合材料结构优化设计、多尺度损伤评估提供了新的思路，提高了复合材料构件在使用中的安全性与可靠性，具有重要的理论意义与工程应用价值。