聚合物基複合材料宏細觀多尺度損傷機理研究

《聚合物基複合材料宏細觀多尺度損傷機理研究》是依託西安電子科技大學，由葉俊傑擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：聚合物基複合材料宏細觀多尺度損傷機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：葉俊傑
• 依託單位：西安電子科技大學

項目摘要

由於高的比強度、比剛度及可設計等優點，複合材料已廣泛用於風電、衛星等大型裝備上。纖維斷裂、基體開裂、界面脫粘等細觀損傷會引起複合材料結構巨觀斷裂，引發災難性事故，開展複合材料結構損傷研究成為熱點問題。本項目擬開展基於通用單胞方法的複合材料結構多尺度損傷演化機理研究。在細觀尺度上建立夾雜隨機分布的通用單胞損傷分析方法，揭示多場耦合作用下複合材料細觀損傷演化機理；研究複合材料結構裂紋奇異域的運算元自定義小波有限元構造方法，彌補傳統有限元方法在多尺度計算中存在的精度差、效率低等不足，有效求解裂紋奇異域應力應變場；提出適合於複合材料結構損傷奇異性分析的多尺度建模方法，闡明細觀損傷到巨觀斷裂的失效機制。針對衛星太陽翼、風電葉片複合材料結構開展實驗驗證與套用研究。通過本項目的研究，有望進一步豐富和發展通用單胞方法、多尺度建模方法，提高衛星和風電設備安全運行能力，預防事故的發生，取得顯著的社會和經濟效益。

結題摘要

本項目圍繞複合材料結構多尺度損傷問題開展研究。在細觀尺度下，結合複合材料真實夾雜分布圖像，建立纖維複合材料的非線性通用單胞方法，研究夾雜分布、體積含量等參數對複合材料巨觀力學行為的影響；為了克服採用規則子胞單元離散代表體積單元引起的應力集中問題，對規則子胞單元進行等參變換，根據相鄰子胞位移以及應力連續條件，提出了複合材料三維參數化細觀力學模型，有效求解了複合材料單元剛度矩陣及細觀應力場，為揭示細觀局部損傷、演化及失效機理提供了重要支撐；建立弱界面粘結條件下複合材料細觀損傷模型，研究單軸、雙軸作用下複合材料失效特性；建立力-熱耦合模型，揭示了熱殘餘應力條件下界面損傷、複雜熱載荷環境下複合材料的失效特性；在層板尺度下，構造滿足要求的小波基函式，建立二代小波有限元模型，可實現複合材料層板單元剛度方程的有效求解。結合經典層板理論，將細觀力學模型帶入沿層板厚度方向的積分點，建立了層板複合材料結構宏細觀非線性力學模型，揭示了鋪層結構、載入方式對典型層板結構失效特性的影響，並將計算結果與實驗結果對比驗證了算法的有效性；在巨觀尺度下，結合ANSYS有限元平台APDL參數化編程的前處理功能及LS-DYNA非線性動力分析功能，發展了複合材料結構ANSYS/LS-DYNA聯合建模求解技術，提出了基於單胞模型的多尺度損傷分析方法，研究了載荷應變率對複合材料非線性力學特性的影響。建立了層板複合材料多尺度損傷分析模型，分析了含損傷複合材料層板裂紋擴展變化規律，通過與試驗對比驗證了算法有效性；搭建了光纖感測網路損傷試驗平台，以小型風電葉片複合材料結構為對象，研究了集中載荷作用下的力學特性，為進一步開展服役環境下的複合材料結構損傷監測奠定了基礎。項目執行期間共發表學術論文12篇，其中SCI收錄10篇，參與國內學術會議3次，培養碩士研究生4人。獲陝西高等學校科學技術一等獎、陝西省科技成果二等獎各1項。課題組相繼成功申請國家自然科學基金面上項目共2項。