摘 要

本课题主要是利用abaqus商业有限元软件，基于abaqus自带的hashin复合材料渐进破坏失效准则对十字型层合板在不同比例加载下进行有限元仿真的数值模拟。从应力云图可以看出十字型试件的设计是合理的，通过对不同倒角半径下的应力云图的对比和同一倒角半径不同加载比下应力云图的对比，得到不同比例双向拉伸应力应变曲线的相关结论，并进行双向加载强度分析。

采用数值模拟方法对复合材料问题进行研究，是目前行之有效的方法。本课题通过对碳纤维环氧树脂基增强复合材料的损伤初始化，裂纹扩展和拉伸破坏的研究。得到了双向加载比对裂纹出现和扩张的相关影响，为进一步的试验研究和实际应用打下了良好基础。

关键词：复合材料，双向拉伸，Hashin失效准则，数值模拟

ABSTRACT

Based on the abaqus commercial finite element software, the numerical simulation of the finite element simulation of the cross-type laminated board under different proportion loading is carried out based on the progressive failure failure criterion of hash material of abaqus. It can be seen from the stress cloud diagram that the design of the cross specimen is reasonable. By comparing the stress cloud diagram under different chamfer radius and the comparison of the stress cloud image under the same chamfering radius, different ratio biaxial tensile stress strain Curve of the relevant conclusions, And draw the intensity envelope at different loading ratios.

It is an effective method to study the problem of composite materials by numerical simulation method. In this paper, the damage initiation, crack propagation and tensile failure of carbon fiber epoxy resin reinforced composites were studied. The effect of bidirectional loading on the occurrence and expansion of crack is obtained, which provides a good foundation for further experimental research and practical application.

目 录

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2复合材料概述 1

1.3层合板的形状选取及研究现状 1

1.4本文的工作目的和理论基础 3

第二章 双向拉伸试样几何形状影响分析 7

2.1十字型层合板双向拉伸试样设计 7

2.2倒角半径对应力分布和破坏过程影响分析 9

2.3 本章小结 25

第三章 双向加载载荷比影响分析 26

3.1双向加载比对应力分布和破坏过程的影响分析 26

3.2双向加载强度分析 38

3.3本章小结 41

第四章 总结与展望 42

4.1总结 42

4.2展望 44

参考文献 45

致谢 47

第一章 绪论

1.1 课题研究背景

纤维复合材料是由纤维与基体复合制成的新型复合材料。与传统工程材料相比，复合材料具有许多突出的优点。一方面。复合材料的化学性能和力学性能非常良好，比如化学性能稳定，耐腐蚀，而且具有可设计性强度，比模量高，耐疲劳、破损性能好、阻尼减震、降噪声性能优异等 ^[1] 。另一方面，复合材料的制造工艺性好，便于整体成型及一次成型，可以大大减少模具数目，节省连接和装配时间，降低制造成本。因此从复合材料问世以来，备受工程界青睐^[2] 。

随着复合材料的广泛使用，损伤问题日益引起人们的关注。复合材料结构在生产和使用的过程中，能产生各种各样的损伤，并且在实际应用过程中一般受力复杂，会面临多种不同形式的应力加载方式，其中就包括双向应力加载，所以说研究复合材料双向拉伸破坏行为的数值模拟是非常有必要的。

为了提高复合材料的承载能力，通常选用高模量、高强度的纤维和基体材料。复合材料是由两种或多种成分按一定方式结合在一起而形成的材料。这种材料的性能优于单一材料的性能，由基体和增强材料组成碳纤维增强复合材料，是先进复合材料的典型代表，具有广泛的使用价值，也是本文的研究对象。

1.2复合材料概述

1.2.1 复合材料的组成

复合材料是有两种或两种以上异质、异性、异形的材料，在宏观尺度上复合而成的一种完全不同于其组成的新型材料。

1.2.2复合材料的基本结构形式

1.单向板

纤维按一个方向整齐排列或由双向编织纤维平面分布组成单向板，纤维起增强和主要承载作用，基体起支撑纤维，保护纤维，并在纤维中起分配和传递载荷作用^[3] 。

2.层合板

层合板是一叠单向板，各单向板的材料主方向定向不同。通常层合板的各个铺层是与单向板相同的基体材料粘合起来的。层合的主要目的是设计界与方向有关的裁量强度与刚度，以满足结构承载的要求。

1.3层合板的形状选取及研究现状

1.3.1形状选取

比较常见的层合板一般有矩形层合板和十字型层合板。由于此次毕设需要研究不同载荷比对层合板损伤破坏的影响，其中，矩形层合板难以实现比例加载，十字型层合板能较好地实现比例加载。但为了减轻层合板四个转角处的应力集中现象，我们会在转角处加上倒角，中心处加上圆孔，最大程度地考虑实际生活中的原型。

1.3.2 研究现状

双向拉伸问题的背景介绍：

对双轴纤维增强复合材料的强度准则进行验证，须有大量的强度数据，因此有必要对双轴纤维增强复合材料进行不同应力比的双向拉伸数值模拟。同时，在实际生活中，很多材料都处于双向受力状态，如：飞行器的端头帽、压力容器等，因此对复合材料进行双向拉伸研究是非常有必要的^[4] 。

自20世纪40年代以来，复合材料的发展格外加快，一大批具有高比强度、比模量、密度小等优异性能的先进复合材料逐渐被运用于各个领域。碳纤维增强复合材料因其独有的优点，被广泛的运用在航空和航天领域。碳纤维增强复合材料在实际使用时，由于安装等功能性需求，其结构经常需要进行开孔处理。开孔的碳纤维增强复合材料结构在服役时，也往往处于例如：双轴应力、三轴应力等复杂的应力状态之下。孔附近也因此常常处于应力集中状态之下，裂纹萌生、层裂等问题也常常发生，造成结构承载力的下降，威胁到整体结构的安全。