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硕士学位论文

纤维增强复合材料渐进损伤的
数值模拟
NUMERICAL SIMULATION
OF PROGRESSIVE DAMAGE OF
FIBER-POSITES



焦阳









哈尔滨工业大学

2012 年 7 月
中图分类号:TB33 学校代码:10213
UDC:620 密级:公开




工学硕士学位论文

纤维增强复合材料渐进损伤的
数值模拟











硕士研究生:焦阳
导师:果立成教授
申请学位:工学硕士
学科:固体力学
所在单位:航天科学与力学系
答辩日期:2012 年 7 月
授予学位单位:哈尔滨工业大学
Classified Index: TB33
: 620




Dissertation for the Master Degree in Engineering

NUMERICAL SIMULATION
OF PROGRESSIVE DAMAGE OF
FIBER-POSITES









Candidate: Jiao Yang
Supervisor: Prof. Guo Licheng
Academic Degree Applied for: Master of Engineering
Speciality: Solid Mechanics
Affiliation: Department of Astronautic Science
and Mechanics
Date of Defence: July, 2012
Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
摘要

纤维增强复合材料通常因为其高强度和高损伤阻抗的特点被应用于很多关键
的结构部件。然而,由于其复杂的细观结构,人们对它服役时的一些力学行为仍
然不甚了解。事实证明,单向纤维增强复合材料构件在局部损伤起始后仍然具有
一定的承载能力。但此阶段材料的力学响应还没有像材料在损伤起始前的响应那
样被充分地了解。为充分利用此材料的潜力,我们需要对它的损伤后行为有足够
的认识。
本文旨在通过建立一个单向纤维增强复合材料的渐进损伤模型来模拟此材料
在产生初始损伤后的力学行为。本文考虑了纵向(纤维方向)由纤维主导的损伤和
横向由基体主导的损伤,分别选取最大应力准则和 Puck 作用面断裂准则为单向纤
维增强复合材料的纵向和横向初始损伤准则,以 Murakami-Ohno 模型中的二阶损
伤张量描述材料的损伤状态,建立了一个基于指数应变软化行为和 Sidoroff 能量
等价性原理的损伤演化模型。利用裂纹带模型消除了相应有限元模型关于网格疏
密的依赖性。考虑了损伤的不可逆性和垂直于纤维方向微裂纹面的单边特性。编
写了有限元分析软件 Abaqus 的用户材料子程序(UMAT)来实现此损伤模型。并且
通过有限元分析软件模块 Abaqus/Standard 对此损伤模型和相应程序进行了单元
验证,结果表明编写的 UMAT 子程序能够准确地实现本文建立的损伤模型。

关键词:纤维增强复合材料;渐进损伤;有限元;损伤演化

-I-
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
Abstract

Fiber-posites have been used in numerous key structural
components because of their high strength and damage resistance. Ironically, people
have not understood quite well some of the essential mechanical behavior of the
composites in service due to plex microstructures. It has been observed that
ponents made of unidirectional fiber-posites can retain
their load-bearing capacity after local damage initiates. Un