复合材料层合板偏心压缩渐进损伤研究

袁坚锋

(中国商飞上海飞机设计研究院，上海 201210)

作者简介：袁坚锋（1988—），男，工程师，硕士，主要研究方向为飞行器结构设计与分析，yuanjianfeng@comac.cc.

摘要：基于三维非线性Hashin准则和连续损伤力学，建立了一种复合材料层合板的三维渐进损伤有限元分析模型，采用指数形式退化模型表示材料的损伤扩展，准确地描述复合材料损伤的本构关系。通过ABAQUS用户材料子程序UMAT预测了复合材料层合板偏心压缩强度，并与试验结果进行了对比。结果表明，有限元模拟结果与试验结果在损伤扩展、破坏模式及破坏载荷方面均吻合得很好，所提出的三维非线性Hashin准则+指数退化模型模拟复合材料偏心压缩失效的方法有效、可行。

关键词：有限元分析；复合材料；层合板；渐进损伤

中图分类号：V222      文献标识码：A      文章编号：2095-509X(2021)05-0065-05

飞机在空中飞行时，复合材料机翼上壁板受到压缩和弯曲载荷的联合作用，即偏心压缩效应。在压、弯载荷同时作用下，层合板更容易发生破坏，因此研究偏心压缩载荷作用下复合材料层合板的失效显得尤为重要。为预测复合材料层合板的损伤扩展和极限强度，学者们在复合材料结构失效分析中引入了渐进损伤分析方法^［1-4］。渐进损伤分析方法包括应力求解、失效分析和材料属性退化三部分，其中应力分析的非线性平衡方程求解可由有限元软件完成，而复合材料本构方程的建立和应力更新、材料失效准则的确定以及损伤材料属性退化方案的研究等大部分的研究工作需要人工完成。

文献^{［5］～［8］}基于复合材料渐进损伤分析模型采用基于经典层合板理论的二维有限元法进行应力求解，但无法较好地反映层合板三维效应和铺层之间的相互作用。后来，一些研究人员在分析复合材料层合板螺栓连接失效问题时建立了三维渐进损伤分析模型，并采用三维有限元法进行应力求解。还有一些研究模型^［9-10］采用连续介质损伤力学中的内部损伤状态变量表征材料的损伤状态，不同损伤模式采用不同损伤状态变量表示，损伤状态变量由材料的临界断裂应变能释放率确定。王跃全等［11］建立了复合材料渐进损伤分析的三维模型，该模型采用指数形式的应变软化率表示材料的损伤扩展，有效地反映了复合材料层合板的层间损伤。

本文通过对复合材料层合板损伤本构方程的推导，采用考虑剪切非线性的三维Hashin准则对复合材料层合板进行三维渐进损伤有限元分析，讨论了损伤材料性能退化方案，引入与材料损伤模式相对应的损伤变量表征材料的损伤状态，并对复合材料层合板受偏心压缩载荷的行为与强度进行预测。