【摘 要】
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纤维增强型复合材料因其高强度、高模量、低密度和材料性能可设计等优点而被广泛应用于航空、航天、汽车以及新能源等领域中。然而,复杂的材料内部结构会导致其破坏时表现出多种破坏模式,比如纤维破坏、基体破坏以及界面脱粘等。因此,复合材料破坏的研究对于结构安全性和稳定性的评估都起着至关重要的作用。近十年来,相场模型以其优美的数学结构和在处理裂纹问题上的优越性而被广泛应用于各类破坏问题的分析当中。本文针对纤维增
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纤维增强型复合材料因其高强度、高模量、低密度和材料性能可设计等优点而被广泛应用于航空、航天、汽车以及新能源等领域中。然而,复杂的材料内部结构会导致其破坏时表现出多种破坏模式,比如纤维破坏、基体破坏以及界面脱粘等。因此,复合材料破坏的研究对于结构安全性和稳定性的评估都起着至关重要的作用。近十年来,相场模型以其优美的数学结构和在处理裂纹问题上的优越性而被广泛应用于各类破坏问题的分析当中。本文针对纤维增强型复合材料不同尺度下的渐进破坏特点,并兼顾计算效率和模拟精度,分别提出了可用于微观模型、单层板和层合板破坏模拟的几个新的相场模型。主要包括:(1)为同时模拟复合材料微观结构的界面和基体破坏,解决纤维/基体界面层厚度极小、材料微结构的几何构型复杂的问题,提出了一个附加的界面相场模型,用于弥散界面属性,同时研究了不同能量分解方式对模型的影响,并且提出了两种不同的能量分解方式,从而可以在规则网格下,采用统一的裂纹相场来准确地模拟微观结构中复杂的破坏模式,捕捉纤维剥离、基体裂纹的萌生与融合等复杂的破坏过程。(2)针对复合材料单层板的破坏问题,通过引入一个新的适用于二维和三维情况的结构张量来描述材料断裂属性的方向性,提出了可有效用于正交各向异性单层板断裂分析的修正相场模型,模型中明确了罚系数对不同方向上临界能量释放率的影响,并以此重构了相场演化驱动力以更加准确地捕捉复合材料单层板内不同的破坏模式。(3)针对层合板破坏的多样性,提出了一个新的显式相场模型,该模型通过引入四种不同的退化函数来描述不同破坏模式对材料的影响,并且重新定义了相场演化的驱动力,从而使得该模型能同步模拟层内的基体破坏、纤维破坏以及层间的分层破坏等多种复杂的破坏模式以及相互作用。(4)针对于工程上广泛使用的层数较多的层合板,本文提出了一种新的耦合内聚力单元的显式相场模型,其层合板的层内破坏和层间破坏分别采用相场模型和内聚力单元模拟,其关键是新的相场模型中移除了层间破坏机制,并且对内聚力单元损伤因子进行修正,使得内聚力单元不仅能描述层间破坏,而且还能更加准确地将层内破坏的影响引入层间破坏,从而实现将两种不同的破坏模型有效地融合。该方法可显著降低整体的网格数量,从而达到了提高模拟大规模问题的能力。
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