开孔碳纤维复合材料层合板的拉伸失效有限元分析
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ: ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌꎻ ｔｅｎｓｉｌｅ ｆａｉｌｕｒｅꎻ Ｈａｓｈｉｎ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎꎻ ＶＵＭＡＴꎻ ｆｉｎｉｔｅ
ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ
收稿日期: ２０２１ － ０６ － ０５
基金项目: 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目( Ｎ２１２３０２８) ꎻ 河北省自然科学基金青年基金资助项目( Ｅ２０２１５０１０１１) .
行为. 通过对三种单元模型进行模拟ꎬ结果表明:开孔造成的应力集中会使层合板在拉伸过程中纤维与基体更
易失效ꎬ成为裂纹源ꎻ在层合板失效过程中ꎬ都呈现“ Ｘ 形” 向“ 沙漏形” 失效发展趋势ꎬ最终沿宽度方向断裂ꎻ
实体模型模拟精度相比于传统壳单元、连续壳单元的偏高更接近实验数值ꎬ三种单元模拟极限失效载荷与实
ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｖａｌｕｅ. Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｌｉｍｉｔ ｆａｉｌｕｒｅ ｌｏａｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｄｉｆｆｅｒ ｆｒｏｍ ｔｈｅ
ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ ｄａｔａ ｂｙ ２６ １％ꎬ ３１ １％ꎬ ａｎｄ ８ ６４％ꎬ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ.
提出了
响应. 综上ꎬ可以看出 Ｈａｓｈｉｎ 准则对于复合材料
参数化三维逐渐损伤模型ꎬ采用三维 Ｈａｓｈｉｎ 准则
的模拟效果较好ꎬ但目前学者利用 Ｈａｓｈｉｎ 准则进
载荷作用下的分层扩展行为. 王丹勇等
和直接折减退化材料属性来模拟含中心圆孔层合
板准静态拉伸失效. 吴悦雷
[５]
采用三维 Ｈａｓｈｉｎ 失
限承载能力. 但其应用的失效准则形式更接近于
三维情况下的 Ｃｈａｎｇ － Ｃｈａｎｇ 失效准则ꎬ且最后
模拟 预 测 结 果 偏 保 守. 姚 辽 军 等
[８]
通过编写
ＡＢＡＱＵＳ 场 变 量 用 户 子 程 序 ( ＵＳＤＦＬＤ) ꎬ 采 用
Ｈａｓｈｉｎ 失效准则及材料渐进退化模型ꎬ对复合材
料开孔板渐进失效特性进行了数值模拟ꎬ结果显
荷作 用 下 的 失 效 发 展 过 程. 鲁 国 富 等 [７] 建 立 了
Ｔ３００ / １０３４ － Ｃ 碳纤维复合材料的三维开孔层合
板模型ꎬ利用修正 Ｎｅｗｔｏｎ － Ｒａｐｈｓｏｎ 迭代方法求
解失 效 过 程 中 应 力 应 变ꎬ 并 运 用 修 正 的 三 维
Ｈａｓｈｉｎ 失效准则判断模型的失效ꎬ计算最终的极
效准则ꎬ对 Ｔ７００ / ６２４０ 碳纤维增强复合材料在冲
击能为 １０ꎬ１８ꎬ２５ Ｊ 三种冲击能量下的抗冲击性能
进行了研究ꎬ结果表明 １８ Ｊ 为 Ｔ７００ / ６２４０ 碳纤维
增强复合材料的冲击阈值. 施建伟
[６]
基于 Ｈａｓｈｉｎ
失效准则和内聚力单元建立有限元模型ꎬ研究了
玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料在三点弯曲载
开孔碳纤维复合材料层合板的拉伸失效有限元分析
陈小辉ꎬ 张 珩ꎬ 刘明月ꎬ 侯东晓
( 东北大学秦皇岛分校 控制工程学院ꎬ 河北 秦皇岛 ０６６００４)
摘 要: 基于 ＡＢＡＱＵＳ 有限元软件中的二维壳单元和三维实体单元ꎬ对铺层角度为[０° / ( ± ４５°) ３ /
(９０°) ３ ] ｓ 的开孔 Ｔ３００ / １０３４ － Ｃ 碳纤维复合材料层合板在拉伸载荷作用下的失效过程进行研究. 首先ꎬ在
作者简介: 陈小辉(１９８２ － ) ꎬ女ꎬ河北秦皇岛人ꎬ东北大学副教授.
东北大学学报( 自然科学版)
３９８
第 ４３ 卷
碳纤维树脂复合材料具有质量轻、比强度高、
力也越强. 荆臻 [９] 基于正交各向异性材料应力 －
计性强、抗震性强、耐冲击等优点ꎬ被广泛应用于
应ꎬ模拟了不带孔层合板结构和带孔层合板结构
ｂｕｉｌｔ￣ｉｎ ２￣Ｄ Ｈａｓｈｉｎ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ. Ｈｏｗｅｖｅｒꎬ ｔｈｅ ２￣Ｄ ｍｏｄｅｌ ｄｉｄ ｎｏｔ ｃｏｎｓｉｄｅｒ
ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅｓ ｏｆ ｅａｃｈ ｌａｙｅｒꎬ ａｎｄ ｂｙ ｗｒｉｔｉｎｇ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｓｕｂｒｏｕｔｉｎｅ ＶＵＭＡＴꎬ
复合材料用量达到 ５０％ . 而在进行结构之间相互
应变本构模型ꎬ考虑应变率对材料强度的强化效
应变都有不同程度影响ꎻ在其研究的应变率变化
范围内ꎬ层合板结构的纵向弹性模量随应变率的
变化不会发生明显的改变. 刘武帅 [１０] 在对航空含
连接时ꎬ往往采用较多的是螺栓连接ꎬ必须在连接
孔复合材料构件失效及损伤机理的研究中ꎬ建立
航空航天、汽车工业、风力发电、石油化工等领域ꎬ
在不同的应变率拉伸载荷下断裂的整个损伤演化
取代了一些普通钢材的地位成为主要承载构件.
过程. 通过其研究发现应变率对极限强度和失效
比模量高、耐腐蚀、使用寿命长、维护成本低、可设
２０００ 年波音与空客推出的 ７８７ 和 Ａ３５０ 新机型ꎬ
均采用碳纤维复合材料作为主承力部件ꎬ碳纤维
Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ: ＣＨＥＮ Ｘｉａｏ￣ｈｕｉꎬ Ｅ￣ｍａｉｌ: ｃｈｅｎｘｈ＠ ｎｅｕｑ. ｅｄｕ. ｃｎ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ: Ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｅｎ￣ｐｏｒｅｄ Ｔ３００ / １０３４￣Ｃ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｌａｍｉｎａｔｅ
目前应用最为广泛的 Ｈａｓｈｉｎ 失效准则
[１]
ꎬ其
合物复合材料压缩破坏渐进损伤分析( ＰＤＡ) 模
将纤维复合材料的失效形式分为四种:纤维拉伸
型ꎬ考虑了材料非线性行为、失效判断及损伤演化
失效、纤维压缩失效、基体拉伸失效、基体压缩失
中材料性能退化ꎬ通过编写子程序 ＶＵＭＡＴꎬ将这
[２]
根据 Ｈａｓｈｉｎ 失效准则提出三维渐进
第４３ 卷 第３ 期
２０２２ 年 ３ 月
东 北 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 )
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ( Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ)
Ｖｏ ｌ. ４３ꎬＮｏ. ３
Ｍａｒ. ２ ０ ２ ２
ｄｏｉ: １０. １２０６８ / ｊ. ｉｓｓｎ. １００５ － ３０２６. ２０２２. ０３. ０１３
示 ０ 层所占比例越大ꎬ孔边应力集中将越严重ꎬ对
应复合材料无孔板的强度也越高ꎬ结构的承载能
行的研究关注点都在于单层的失效ꎬ对层 － 层失
效间的关系与影响关注较少.
本 文 通 过 ＡＢＡＱＵＳ 有 限 元 软 件 模 拟 了
Ｔ３００ / １０３４ － Ｃ 碳纤维复合材料二维情况下的层
合板失效ꎬ以及编写 ＶＵＭＡＴ 材料子程序引入 ３Ｄ
Ｈａｓｈｉｎ 失效准则、等效应力 － 等效位移双线性退
化方法对三维情况进行模拟分析.
１ 碳纤维复合材料层合板渐进失效
分析
基于 ＡＢＡＱＵＳ 分析拉伸载荷作用下的复合
材料层合板渐进失效行为ꎬ首先采用传统壳单元
和 连 续 壳 单 元ꎬ 利 用 ＡＢＡＱＵＳ 自 带 的 二 维
ａｎｄ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｓｈｅｌｌ ｅｌｅｍｅｎｔ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｍｏｄｅｌｓ ｗｅｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ
ＡＢＡＱＵＳ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆａｉｌｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｙｅｒ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ
验数据相差分别为 ２６ １％ ꎬ３１ １％ ꎬ８ ６４％ .
关 键 词: 碳纤维复合材料ꎻ拉伸失效ꎻＨａｓｈｉｎ 准则ꎻＶＵＭＡＴꎻ有限元分析
中图分类号: ＴＢ ３３ꎻ Ｏ ３４６ ５ 文献标志码: Ａ 文章编号: １００５ － ３０２６(２０２２)０３ － ０３９７ － ０７
ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｆａｉｌｕｒｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ. Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌｓꎬ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ
ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｏｐｅｎｉｎｇ ｗｉｌｌ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｆｉｂｅｒ ａｎｄ ｍａｔｒｉｘ ｏｆ ｔｈｅ
" ｈｏｕｒｇｌａｓｓ￣ｓｈａｐｅ" ꎬ ａｎｄ ｅｖｅｎｔｕａｌｌｙ ｂｒｅａｋ ｉｎ ｔｈｅ ｗｉｄｔｈ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎꎻ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ
ｓｈｅｌｌ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｓｈｅｌｌ ｅｌｅｍｅｎｔꎬ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｌｉｄ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｃｌｏｓｅｒ ｔｏ
ＡＢＡＱＵＳ 有限元软件中建立壳单元和连续壳单元碳纤维复合材料模型ꎬ利用自带的 ２Ｄ Ｈａｓｈｉｎ 准则与退化模
型模拟了层内失效. 但二维模型没有考虑各层失效间的相互影响ꎬ进而通过编写材料子程序 ＶＵＭＡＴꎬ引入
３Ｄ Ｈａｓｈｉｎ 准则和基于断裂能的等效应力 － 应变双线性退化方式ꎬ采用实体单元模拟碳纤维复合材料的失效
处进行开孔ꎬ开孔必然会导致其周围发生损伤与
考虑温度影响的渐进损伤模型ꎬ把混合失效准则
应力集中现象ꎬ降低结构的承载能力ꎬ所以十分有
作为失效判据ꎬ将修正的 Ｔｓｅｒｐｅｓ 参数退化准则作
必要对开孔复合材料层合板失效方式及失效发展
为材料失效后刚度折减方案. 薛康等 [１１] 提出了基
过程进行研究.
于连续介质损伤力学( ＣＤＭ) 的单向纤维增强聚
但其考虑的失效准则形式单一ꎬ且将 Ｈａｓｈｉｎ 失效
试. 研究发现ꎬ铺层取向对复合材料压缩损伤机制
效. 李伟占
准则中的交互项省略. 何凡
[３]
采用非线性动力学
有显著影响ꎬ不同的失效机制将导致完全不同的
有限元分析方法ꎬ通过 Ｈａｓｈｉｎ 失效准则分析了静
失效模式和失效载荷ꎬ以及材料在初始失效后的
[４]
Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｔｅｎｓｉｌｅ Ｆａｉｌｕｒｅ ｏｆ Ｏｐｅｎ￣Ｐｏｒｅｄ
Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｌａｍｉｎａｔｅｓ
ＣＨＥＮ Ｘｉａｏ￣ｈｕｉꎬ ＺＨＡＮＧ Ｈｅｎｇꎬ ＬＩＵ Ｍｉｎｇ￣ｙｕｅꎬ ＨＯＵ Ｄｏｎｇ￣ｘｉａｏ
( Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ Ｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ａｔ Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏꎬ Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ ０６６００４ꎬ Ｃｈｉｎａ.
ｌａｍｉｎａｔｅ ｍｏｒｅ ｌｉｋｅｌｙ ｔｏ ｆａｉｌ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｂｅｃｏｍｅ ｔｈｅ ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ｃｒａｃｋｓꎻ ｄｕｒｉｎｇ
ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｌａｍｉｎａｔｅｓꎬ ｔｈｅｙ ａｌｌ ｓｈｏｗ ａ ｆａｉｌｕｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ ｆｒｏｍ " Ｘ￣ｓｈａｐｅ" ｔｏ
ｔｈｅ ３￣Ｄ Ｈａｓｈｉｎ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｓｔｒｅｓｓ￣ｓｔｒａｉｎ ｂｉｌｉｎｅａｒ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ
ｆｒａｃｔｕｒｅ ｅｎｅｒｇｙ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｏｌｉｄ ｅｌｅｍｅｎｔ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ
ｗｉｔｈ ａ ｐｌｙ ａｎｇｌｅ ｏｆ [０° / ( ± ４５°) ３ / (９０°) ３ ] ｓ ｕｎｄｅｒ ｔｅｎｓｉｌｅ ｌｏａｄ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ２￣Ｄ ｓｈｅｌｌ
ｅｌｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ ３￣Ｄ ｓｏｌｉｄ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ＡＢＡＱＵＳ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ. Ｆｉｒｓｔꎬ ｔｈｅ ｓｈｅｌｌ ｅｌｅｍｅｎｔ
些特性嵌入到 ＡＢＡＱＵＳ 中进行求解ꎬ数值分析结
失效分析模型ꎬ考虑了六种不同的失效模式ꎬ并且
果与试验数据吻合较好. Ｌｅｓｓａｒｄ 等 [１２] 对含孔复
根据产生的失效模式对材料参数进行退化ꎬ讨论
合材料板的压缩响应进行了实验研究ꎬ对试样进
了不同铺层比例对层合板最终失效载荷的影响.
行了初步失效检测和最终失效后的压缩响应测
ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ
收稿日期: ２０２１ － ０６ － ０５
基金项目: 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目( Ｎ２１２３０２８) ꎻ 河北省自然科学基金青年基金资助项目( Ｅ２０２１５０１０１１) .
行为. 通过对三种单元模型进行模拟ꎬ结果表明:开孔造成的应力集中会使层合板在拉伸过程中纤维与基体更
易失效ꎬ成为裂纹源ꎻ在层合板失效过程中ꎬ都呈现“ Ｘ 形” 向“ 沙漏形” 失效发展趋势ꎬ最终沿宽度方向断裂ꎻ
实体模型模拟精度相比于传统壳单元、连续壳单元的偏高更接近实验数值ꎬ三种单元模拟极限失效载荷与实
ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｖａｌｕｅ. Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｌｉｍｉｔ ｆａｉｌｕｒｅ ｌｏａｄｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｄｉｆｆｅｒ ｆｒｏｍ ｔｈｅ
ｌｉｔｅｒａｔｕｒｅ ｄａｔａ ｂｙ ２６ １％ꎬ ３１ １％ꎬ ａｎｄ ８ ６４％ꎬ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ.
提出了
响应. 综上ꎬ可以看出 Ｈａｓｈｉｎ 准则对于复合材料
参数化三维逐渐损伤模型ꎬ采用三维 Ｈａｓｈｉｎ 准则
的模拟效果较好ꎬ但目前学者利用 Ｈａｓｈｉｎ 准则进
载荷作用下的分层扩展行为. 王丹勇等
和直接折减退化材料属性来模拟含中心圆孔层合
板准静态拉伸失效. 吴悦雷
[５]
采用三维 Ｈａｓｈｉｎ 失
限承载能力. 但其应用的失效准则形式更接近于
三维情况下的 Ｃｈａｎｇ － Ｃｈａｎｇ 失效准则ꎬ且最后
模拟 预 测 结 果 偏 保 守. 姚 辽 军 等
[８]
通过编写
ＡＢＡＱＵＳ 场 变 量 用 户 子 程 序 ( ＵＳＤＦＬＤ) ꎬ 采 用
Ｈａｓｈｉｎ 失效准则及材料渐进退化模型ꎬ对复合材
料开孔板渐进失效特性进行了数值模拟ꎬ结果显
荷作 用 下 的 失 效 发 展 过 程. 鲁 国 富 等 [７] 建 立 了
Ｔ３００ / １０３４ － Ｃ 碳纤维复合材料的三维开孔层合
板模型ꎬ利用修正 Ｎｅｗｔｏｎ － Ｒａｐｈｓｏｎ 迭代方法求
解失 效 过 程 中 应 力 应 变ꎬ 并 运 用 修 正 的 三 维
Ｈａｓｈｉｎ 失效准则判断模型的失效ꎬ计算最终的极
效准则ꎬ对 Ｔ７００ / ６２４０ 碳纤维增强复合材料在冲
击能为 １０ꎬ１８ꎬ２５ Ｊ 三种冲击能量下的抗冲击性能
进行了研究ꎬ结果表明 １８ Ｊ 为 Ｔ７００ / ６２４０ 碳纤维
增强复合材料的冲击阈值. 施建伟
[６]
基于 Ｈａｓｈｉｎ
失效准则和内聚力单元建立有限元模型ꎬ研究了
玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料在三点弯曲载
开孔碳纤维复合材料层合板的拉伸失效有限元分析
陈小辉ꎬ 张 珩ꎬ 刘明月ꎬ 侯东晓
( 东北大学秦皇岛分校 控制工程学院ꎬ 河北 秦皇岛 ０６６００４)
摘 要: 基于 ＡＢＡＱＵＳ 有限元软件中的二维壳单元和三维实体单元ꎬ对铺层角度为[０° / ( ± ４５°) ３ /
(９０°) ３ ] ｓ 的开孔 Ｔ３００ / １０３４ － Ｃ 碳纤维复合材料层合板在拉伸载荷作用下的失效过程进行研究. 首先ꎬ在
作者简介: 陈小辉(１９８２ － ) ꎬ女ꎬ河北秦皇岛人ꎬ东北大学副教授.
东北大学学报( 自然科学版)
３９８
第 ４３ 卷
碳纤维树脂复合材料具有质量轻、比强度高、
力也越强. 荆臻 [９] 基于正交各向异性材料应力 －
计性强、抗震性强、耐冲击等优点ꎬ被广泛应用于
应ꎬ模拟了不带孔层合板结构和带孔层合板结构
ｂｕｉｌｔ￣ｉｎ ２￣Ｄ Ｈａｓｈｉｎ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ. Ｈｏｗｅｖｅｒꎬ ｔｈｅ ２￣Ｄ ｍｏｄｅｌ ｄｉｄ ｎｏｔ ｃｏｎｓｉｄｅｒ
ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅｓ ｏｆ ｅａｃｈ ｌａｙｅｒꎬ ａｎｄ ｂｙ ｗｒｉｔｉｎｇ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｓｕｂｒｏｕｔｉｎｅ ＶＵＭＡＴꎬ
复合材料用量达到 ５０％ . 而在进行结构之间相互
应变本构模型ꎬ考虑应变率对材料强度的强化效
应变都有不同程度影响ꎻ在其研究的应变率变化
范围内ꎬ层合板结构的纵向弹性模量随应变率的
变化不会发生明显的改变. 刘武帅 [１０] 在对航空含
连接时ꎬ往往采用较多的是螺栓连接ꎬ必须在连接
孔复合材料构件失效及损伤机理的研究中ꎬ建立
航空航天、汽车工业、风力发电、石油化工等领域ꎬ
在不同的应变率拉伸载荷下断裂的整个损伤演化
取代了一些普通钢材的地位成为主要承载构件.
过程. 通过其研究发现应变率对极限强度和失效
比模量高、耐腐蚀、使用寿命长、维护成本低、可设
２０００ 年波音与空客推出的 ７８７ 和 Ａ３５０ 新机型ꎬ
均采用碳纤维复合材料作为主承力部件ꎬ碳纤维
Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ａｕｔｈｏｒ: ＣＨＥＮ Ｘｉａｏ￣ｈｕｉꎬ Ｅ￣ｍａｉｌ: ｃｈｅｎｘｈ＠ ｎｅｕｑ. ｅｄｕ. ｃｎ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ: Ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｏｐｅｎ￣ｐｏｒｅｄ Ｔ３００ / １０３４￣Ｃ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｌａｍｉｎａｔｅ
目前应用最为广泛的 Ｈａｓｈｉｎ 失效准则
[１]
ꎬ其
合物复合材料压缩破坏渐进损伤分析( ＰＤＡ) 模
将纤维复合材料的失效形式分为四种:纤维拉伸
型ꎬ考虑了材料非线性行为、失效判断及损伤演化
失效、纤维压缩失效、基体拉伸失效、基体压缩失
中材料性能退化ꎬ通过编写子程序 ＶＵＭＡＴꎬ将这
[２]
根据 Ｈａｓｈｉｎ 失效准则提出三维渐进
第４３ 卷 第３ 期
２０２２ 年 ３ 月
东 北 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 )
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ( Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ)
Ｖｏ ｌ. ４３ꎬＮｏ. ３
Ｍａｒ. ２ ０ ２ ２
ｄｏｉ: １０. １２０６８ / ｊ. ｉｓｓｎ. １００５ － ３０２６. ２０２２. ０３. ０１３
示 ０ 层所占比例越大ꎬ孔边应力集中将越严重ꎬ对
应复合材料无孔板的强度也越高ꎬ结构的承载能
行的研究关注点都在于单层的失效ꎬ对层 － 层失
效间的关系与影响关注较少.
本 文 通 过 ＡＢＡＱＵＳ 有 限 元 软 件 模 拟 了
Ｔ３００ / １０３４ － Ｃ 碳纤维复合材料二维情况下的层
合板失效ꎬ以及编写 ＶＵＭＡＴ 材料子程序引入 ３Ｄ
Ｈａｓｈｉｎ 失效准则、等效应力 － 等效位移双线性退
化方法对三维情况进行模拟分析.
１ 碳纤维复合材料层合板渐进失效
分析
基于 ＡＢＡＱＵＳ 分析拉伸载荷作用下的复合
材料层合板渐进失效行为ꎬ首先采用传统壳单元
和 连 续 壳 单 元ꎬ 利 用 ＡＢＡＱＵＳ 自 带 的 二 维
ａｎｄ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｓｈｅｌｌ ｅｌｅｍｅｎｔ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｍｏｄｅｌｓ ｗｅｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ
ＡＢＡＱＵＳ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｆａｉｌｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｌａｙｅｒ ｗａｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ
验数据相差分别为 ２６ １％ ꎬ３１ １％ ꎬ８ ６４％ .
关 键 词: 碳纤维复合材料ꎻ拉伸失效ꎻＨａｓｈｉｎ 准则ꎻＶＵＭＡＴꎻ有限元分析
中图分类号: ＴＢ ３３ꎻ Ｏ ３４６ ５ 文献标志码: Ａ 文章编号: １００５ － ３０２６(２０２２)０３ － ０３９７ － ０７
ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｍａｔｅｒｉａｌ ｆａｉｌｕｒｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ. Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌｓꎬ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ
ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｏｐｅｎｉｎｇ ｗｉｌｌ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｆｉｂｅｒ ａｎｄ ｍａｔｒｉｘ ｏｆ ｔｈｅ
" ｈｏｕｒｇｌａｓｓ￣ｓｈａｐｅ" ꎬ ａｎｄ ｅｖｅｎｔｕａｌｌｙ ｂｒｅａｋ ｉｎ ｔｈｅ ｗｉｄｔｈ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎꎻ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ
ｓｈｅｌｌ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｓｈｅｌｌ ｅｌｅｍｅｎｔꎬ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｃｃｕｒａｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｏｌｉｄ ｍｏｄｅｌ ｉｓ ｃｌｏｓｅｒ ｔｏ
ＡＢＡＱＵＳ 有限元软件中建立壳单元和连续壳单元碳纤维复合材料模型ꎬ利用自带的 ２Ｄ Ｈａｓｈｉｎ 准则与退化模
型模拟了层内失效. 但二维模型没有考虑各层失效间的相互影响ꎬ进而通过编写材料子程序 ＶＵＭＡＴꎬ引入
３Ｄ Ｈａｓｈｉｎ 准则和基于断裂能的等效应力 － 应变双线性退化方式ꎬ采用实体单元模拟碳纤维复合材料的失效
处进行开孔ꎬ开孔必然会导致其周围发生损伤与
考虑温度影响的渐进损伤模型ꎬ把混合失效准则
应力集中现象ꎬ降低结构的承载能力ꎬ所以十分有
作为失效判据ꎬ将修正的 Ｔｓｅｒｐｅｓ 参数退化准则作
必要对开孔复合材料层合板失效方式及失效发展
为材料失效后刚度折减方案. 薛康等 [１１] 提出了基
过程进行研究.
于连续介质损伤力学( ＣＤＭ) 的单向纤维增强聚
但其考虑的失效准则形式单一ꎬ且将 Ｈａｓｈｉｎ 失效
试. 研究发现ꎬ铺层取向对复合材料压缩损伤机制
效. 李伟占
准则中的交互项省略. 何凡
[３]
采用非线性动力学
有显著影响ꎬ不同的失效机制将导致完全不同的
有限元分析方法ꎬ通过 Ｈａｓｈｉｎ 失效准则分析了静
失效模式和失效载荷ꎬ以及材料在初始失效后的
[４]
Ｆｉｎｉｔｅ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｔｅｎｓｉｌｅ Ｆａｉｌｕｒｅ ｏｆ Ｏｐｅｎ￣Ｐｏｒｅｄ
Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｌａｍｉｎａｔｅｓ
ＣＨＥＮ Ｘｉａｏ￣ｈｕｉꎬ ＺＨＡＮＧ Ｈｅｎｇꎬ ＬＩＵ Ｍｉｎｇ￣ｙｕｅꎬ ＨＯＵ Ｄｏｎｇ￣ｘｉａｏ
( Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ Ｎｏｒｔｈｅａｓｔｅｒｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ａｔ Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏꎬ Ｑｉｎｈｕａｎｇｄａｏ ０６６００４ꎬ Ｃｈｉｎａ.
ｌａｍｉｎａｔｅ ｍｏｒｅ ｌｉｋｅｌｙ ｔｏ ｆａｉｌ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔｒｅｔｃｈｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｂｅｃｏｍｅ ｔｈｅ ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ｃｒａｃｋｓꎻ ｄｕｒｉｎｇ
ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｌａｍｉｎａｔｅｓꎬ ｔｈｅｙ ａｌｌ ｓｈｏｗ ａ ｆａｉｌｕｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄ ｆｒｏｍ " Ｘ￣ｓｈａｐｅ" ｔｏ
ｔｈｅ ３￣Ｄ Ｈａｓｈｉｎ ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｓｔｒｅｓｓ￣ｓｔｒａｉｎ ｂｉｌｉｎｅａｒ ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ
ｆｒａｃｔｕｒｅ ｅｎｅｒｇｙ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄꎬ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｏｌｉｄ ｅｌｅｍｅｎｔ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｃａｒｂｏｎ ｆｉｂｅｒ
ｗｉｔｈ ａ ｐｌｙ ａｎｇｌｅ ｏｆ [０° / ( ± ４５°) ３ / (９０°) ３ ] ｓ ｕｎｄｅｒ ｔｅｎｓｉｌｅ ｌｏａｄ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ２￣Ｄ ｓｈｅｌｌ
ｅｌｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ ３￣Ｄ ｓｏｌｉｄ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ＡＢＡＱＵＳ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｓｏｆｔｗａｒｅ. Ｆｉｒｓｔꎬ ｔｈｅ ｓｈｅｌｌ ｅｌｅｍｅｎｔ
些特性嵌入到 ＡＢＡＱＵＳ 中进行求解ꎬ数值分析结
失效分析模型ꎬ考虑了六种不同的失效模式ꎬ并且
果与试验数据吻合较好. Ｌｅｓｓａｒｄ 等 [１２] 对含孔复
根据产生的失效模式对材料参数进行退化ꎬ讨论
合材料板的压缩响应进行了实验研究ꎬ对试样进
了不同铺层比例对层合板最终失效载荷的影响.
行了初步失效检测和最终失效后的压缩响应测