复合层合板低速冲击损伤的连续介质损伤力学模型解释.pdf

第 47 卷 第 3 期 力 学 学 报 Vol. 47，No. 3 2015 年 5 月 Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics May，2015 研 究 论 文 复合材料层合板低速冲击损伤分析的连续介质 损伤力学模型1) 李 念 陈普会 2) (南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点试验室，南京 210016) 摘要 针对复合材料层合板低速冲击损伤问题，提出了一种各向异性材料连续介质损伤力学模型，模型涵盖损 伤表征、损伤起始判定和损伤演化法则 3 个方面. 通过材料断裂面坐标下的损伤状态变量矩阵完成损伤表征， 并考虑断裂面角度的影响，建立了主轴坐标系下的材料损伤本构关系. 损伤起始由卜克 (Puck) 失效准则预测， 损伤演化由断裂面上的等效应变控制，服从基于材料应变能释放的线性软化行为. 模型区分了纤维损伤和基体 损伤，并根据冲击载荷下层内产生多条基体裂纹继而扩展至界面形成层间裂纹 (分层) 的试验观察，引入基体裂 纹饱和密度参数表征层间分层. 以 [03/45/ ? 45]S 和 [45/0/ ? 45/90]4S 两种铺层的复合材料层合板为例，预测了 不同冲击能量下复合材料层合板的低速冲击损伤响应参数，试验结果证明了连续介质损伤力学模型的有效性. 模型在不同网格密度下的计算结果表明单元特征长度的引入可以在一定程度上降低损伤演化阶段对网格密度 的依赖性. 关键词 低速冲击，连续介质损伤力学模型，基体裂纹饱和密度参数，卜克准则，网格依赖性 中图分类号：TB33 文献标识码：A doi：10.6052/0459-1879-14-169 引 言 理的基础上建立合理的分析模型是研究复合材料低 速冲击损伤的关键，因此，基于连续介质损伤力学的 复合材料的使用和研究结果表明，即使在冲击 分析方法被广泛用于复合材料冲击损伤特性???模拟 表面无任何征兆的情况下，低速冲击损伤仍严重威 中. 胁复合材料结构强度，使剩余强度急剧下降 [1-2]. 如 连续介质损伤力学方法包括损伤表征、损伤判 何准确估算复合材料的低速冲击损伤，并根据冲击 定、损伤演化 3 部分. 对应复合材料不同的损伤模 对复合材料造成的损伤形式，损伤严重程度与冲击 式，损伤表征通过损伤状态变量的引入从而建立损 能量、冲击方式、材料性能等因素的关系，采用一些 伤材料与完好材料间的本构关系. 由失效准则判定 适应复合材料特点的设计概念和方法，改善损伤阻 复合材料的损伤萌生，一般采用哈辛 (Hashin) 失效 抗和损伤容限特性，是提高复合材料结构设计水平 准则. 虽然哈辛准则能够区分复合材料不同