基于内聚力模型金属层合板复合材料损伤分析.pdfVIP

北京力学会第18届学术年会论文集：计算力学 基于内聚力模型的金属层合板复合材料损伤分析 苏罗丹 杨庆生 (北京工业大学机电学院100124) 摘要：基于有限元ABAQUS软件，利用内聚力模型表征金属层合板复合材料界面，研究了 界面的强度以及界面的初始损伤对复合材料整体承载性能的影响。并研究了端部缺陷对材 料微裂纹萌生的影响。研究显示了界面部分初始损伤，产生裂纹的过程，表明内聚力模型 能有效的模拟复合材料界面的承载及裂纹。随着界面强度的提高，引起界面失效的极限破 坏载荷有一定的提高。 关键词：复合材料，内聚力模型，界面 一、引言 金属多层复合板状材料以其优越的疲劳性能在汽车、航天航空、国防等领域显示了 广阔的应用前景。凶为层问结合强度是层合板的薄弱环节，层间强度低导致损伤的基本 模式是层与层之间的开裂，其失效特征不同于一般整体材料，从而对其服役性能产生重 要影响。因此，对金属层状复合材料界面裂纹的萌生、扩展与其界面结合之间的关系进 行研究，预测界面结合强度对其疲劳裂纹扩展的影响，对有效利用层状复合材料具有重 要的理论和工程实际意义。 复合材料中的界面是在热、化学以及力学等环境下形成的体系，具有极为复杂的结 构。内聚力模型只是界面的一种简化模型，但通过适当地选取参数，可以反映出界面层 物质的模量、强度、韧度等力学性质。在内聚力区域内，应力为开裂位移值的函数，即 张力位移关系。内聚力模碰山两个重要的参数，内聚力强度Tmax和能量释放率Gc，如 图1所示。在对内聚力模型不断研究中，发展出了不同张力位移关系，使其能被』“泛应 用于各种韧性开裂、复合材料界面脱层以及粘接界面开裂等研究中。本文采用双线性内 聚力模型仿真界面的刚度降阶。本文采用的界面单元为无厚度单元，4节点无厚度界面单 元的示意图如图2。随着载荷的增加，层间有了相对位移，t的值在不断地增大，同时张力随 位移线性增长，在单元所受应力达到内聚力强度之后，随着位移增加，仍可继续承载， 直到层间的能量释放率达到对应能量释放率的临界值时，界面单元失效，界面单元上的应 力减为0。 2 图l：双线性内聚力本构关系 图2： 内聚力单元示意图 二、有限元模型及分析 层合板界面的失效过程极其复杂，理论与实验的方法不能充分表征界面的性能，追 踪应力和破坏程度在每一时刻的变化。所以人们借助数值的方法进一步研究界面的力学 行为。为了简化模型，本文采用平面应力模型，如图3所示。其中界面用ABAQUS内 element 置的内聚力单元(cohesiveCOH2D4)进行模拟，单元的节点位移用于控制界面 分离过程。约束条件和加载：对金属层合板界面进行静力学分析，固定铝镁合金底端， Ⅵ．93 “京女荦台#l8％学术年§论z艇计算0学 并在上层庄端施加集-l-载荷，在竖直方向加载。 圈3：有限Ⅱ模型 界面发生初始损伤后，通过提取界面罐左边节点P(如嘲4所币)的应力值和损伤 stiffaegs 系数值．米对界面失散过程进行分析。其中，D(SDEG：scalardegradation)是 损伤系数．眶蜓l。当嗍时，表示材料没有屈服或刚开始屈服r当D=1叫，表示村料 破坏，失去承载能力。 图4：提取结果结点P4i意图 罔5结^失散世程 …●——————一’’ 由图5可知，随着界面层被拉开的相对位移的增大，界面层的应力经肼，一个I：刊、 达到最高点之后下降．最终减为0的过程。在应力从0增长到最大值的过科，内集力单冗 处十线弹性的阶段，而在应力达到内聚力强度之后，界面开始损伤，D伍从0到l的过 程，刚度小断折减．堆终