基于内聚力模型的复合材料裂纹扩展研究

doi:10.19936/j.cnki.2096-8000.20220128.001

复合材料科学与工程 ›› 2022, Vol. 0 ›› Issue (1): 5-12.DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20220128.001

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基于内聚力模型的复合材料裂纹扩展研究

何振鹏¹, 邓殿凯¹, 刘国峰¹, 孙爱俊¹, 钱俊泽¹, 黎柏春^1*, 胡艺馨², 杨帆³

1.中国民航大学航空工程学院,天津300300;
2.中国民航大学工程训练中心,天津300300;
3.中国南方航空股份有限公司沈阳维修基地,沈阳110000

收稿日期:2021-04-12 出版日期:2022-01-28 发布日期:2022-02-10
通讯作者: 黎柏春(1986-),男,博士,主要从事机械结构强度及复合材料失效方面的研究,bc_li@cauc.edu.cn。
作者简介:何振鹏(1985-),男,副教授,主要从事机械结构强度及复合材料失效方面的研究。
基金资助:
天津市自然科学基金项目(18JCQNJC05400);天津市教委自然科学项目(2018KJ240);中央高校基金(3122019075);实验技术创新基金项目(2020CXJJ57)

Research on crack propagation of composite materials based on cohesive zone model

HE Zhen-peng¹, DENG Dian-kai¹, LIU Guo-feng¹, SUN Ai-jun¹, QIAN Jun-ze¹, LI Bai-chun¹, HU Yi-xin², YANG Fan³

1. Aeronautical Engineering Institute, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China;
2. Engineering Training Centre, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China;
3. Shenyang Maintenance Base China Southern Airlines Co., Ltd., Shenyang 110000, China

Received:2021-04-12 Online:2022-01-28 Published:2022-02-10

摘要/Abstract

摘要： 在内聚力本构模型的基础上发展了三维零厚度内聚力单元的数值计算方法,结合有限单元理论推导双线性内聚力模型和基于势能的内聚力模型的有限元格式,通过运用ABAQUS-UEL用户单元子程序模块开发了一种三维八节点的内聚力单元,与实际的复合材料分层试验结果和有限元软件中的模拟结果进行比较,证明其能较准确地模拟含裂纹的复合材料分层损伤问题。并将数值程序应用在复合材料分层损伤机理的研究中,对比双线性内聚力模型和基于势能的PPR内聚力模型,结果表明基于势能的PPR损伤准则用于计算分层损伤具有计算成本低、收敛性高、准确度高的优点,进一步阐明了峰值强度、内聚区长度、复合材料的铺层角度对内聚力模型数值收敛性和计算精确度的影响规律。

关键词: 复合材料层合板, ABAQUS-UEL子程序, Fortran语言, 内聚力模型, 分层损伤

Abstract: Based on the cohesive zone model, this paper develops the numerical calculation method of the three-dimensional zero-thickness cohesive element, and combines the finite element theory to derive the finite element format of the bilinear cohesive zone model and the PPR cohesive zone model. By using the ABAQUS-UEL subroutine module, a three-dimensional eight-node cohesive zone element was developed. Compared with the actual composite material layering test results and the simulation results in ABAQUS, it is proved that it can simulate the problem of composite material delamination damage accurately. The numerical program is applied to the study of the delamination damage mechanism of composite materials. The results show that the PPR cohesive zone model based on potential energy has lower computational cost, higher convergence for calculating delamination damage, higher accuracy. What's more, it further clarifies the influence of peak strength, cohesion zone length, and composite layering angle on the numerical convergence and calculation accuracy of the cohesion model.

Key words: composite laminate, ABAQUS-UEL subroutine, Fortran language, cohesive zone model, delamination damage

中图分类号:

TB332

何振鹏, 邓殿凯, 刘国峰, 孙爱俊, 钱俊泽, 黎柏春, 胡艺馨, 杨帆. 基于内聚力模型的复合材料裂纹扩展研究[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(1): 5-12.

HE Zhen-peng, DENG Dian-kai, LIU Guo-feng, SUN Ai-jun, QIAN Jun-ze, LI Bai-chun, HU Yi-xin, YANG Fan. Research on crack propagation of composite materials based on cohesive zone model[J]. COMPOSITES SCIENCE AND ENGINEERING, 2022, 0(1): 5-12.

参考文献

[1] 杜善义, 关志东. 我国大型客机先进复合材料应对策略思考[J]. 复合材料学报, 2008, 25(1): 1-10.
[2] 付丽. 基于非局部理论的复合材料层合板脱层的理论与数值研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2009.
[3] BARENBLATT G I. Equilibrium cracks formed during brittle fracture rectilinear cracks in plane plates[J]. Journal of Applied Mathematics & Mechanics, 1959, 23(4): 1009-1029.
[4] DUGDALE D S. Yielding of steel sheets containing slits[J]. Journal of the Mechanics & Physics of Solids, 1960, 8(2): 100-104.
[5] MI Y, CRISFIELD M A, DAVIES G, et al. Progressive delamination using interface elements[J]. Journal of Composite Materials, 1998, 32(14): 1246-1272.
[6] CAMANHO P P, DAVILA C G, MOURA M D. Numerical simulation of mixed-mode progressive delamination in composite materials[J]. Journal of Composite Materials, 2003, 37(16): 1415-1438.
[7] TURON A, CAMANHO P, COSTA J, et al. A damage model for the simulation of delamination in advanced composites under variable-mode loading[J]. Mechanics of Materials, 2006, 38(11): 1072-1089.
[8] HEIDARI-RARANI M, SAYEDAIN M. Finite element modeling strategies for 2D and 3D delamination propagation in composite DCB specimens using VCCT, CZM and XFEM approaches[J]. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 2019, 103: 102246.
[9] BENZEGGAGH M L, KENANE M. Measurement of mixed-mode delamination fracture toughness of unidirectional glass/epoxy composites with mixed-mode bending apparatus[J]. Composites Science and Technology, 1996, 56(4): 439-449.
[10] ENGENHARIA F D, BRANCH C M. Numerical simulation of mixed-mode progressive delamination in composite materials[J]. Journal of Composite Materials, 2003, 37(16): 1475-1438.
[11] PARK K, PAULINO G H, ROESLER J R. A unified potential-based cohesive model of mixed-mode fracture[J]. Journal of the Mechanics & Physics of Solids, 2009, 57(6): 891-908.
[12] 吴义韬, 姚卫星, 沈浩杰. 层合板混合模式分层扩展能量准则评估[J]. 南京航空航天大学学报, 2014, 46(3): 364-370.
[13] ABAQUS, Version6.14 Documentation[M]. USA: Dassault Systems Simulia Corp. Providence, RI, 2015.
[14] CAMANHO P P, DAVILA C G. Mixed-mode decohesion finite elements for the simulation of delamination in composite materials[R]. Hampton (VA), USA: NASA, 2002.
[15] BORG R, NILSSON L, SIMONSSON K. Modeling of delamination using a discretized cohesive zone and damage formulation[J]. Composites Science & Technology, 2002, 62(10-11): 1299-1314.
[16] ALFANO M, LUBINEAU G, FURGIUELE F, et al. On the enhancement of bond toughness for Al/epoxy T-peel joints with laser treated substrates[J]. International Journal of Fracture, 2011, 171(2): 139-150.

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Research on crack propagation of composite materials based on cohesive zone model

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[1]	赵艺, 赵刚, 范欣愉, 闫忠伟, 葛亚琼, 徐剑. 基于渐进损伤模型的热固性复合材料电阻焊接头强度的尺寸效应研究[J]. 复合材料科学与工程, 2024, 0(2): 45-51.
[2]	张弘强, 陈栋, 李成. CFRP层合板双面挖补补片设计及性能分析[J]. 复合材料科学与工程, 2024, 0(2): 52-58.
[3]	赵耀斌, 单金洋, 崔开心, 卢翔. 湿热环境下不同挖补构型层合板振动特性分析[J]. 复合材料科学与工程, 2023, 0(9): 13-20.
[4]	项跟洋, 冯电视. 基于内聚力模型的复合材料疲劳分层数值模拟[J]. 复合材料科学与工程, 2023, 0(8): 19-25.
[5]	王天立, 闫超, 同新星, 樊家辉, 杨小康, 元振毅. 曲线纤维铺放复合材料层合板结构拓扑优化方法研究[J]. 复合材料科学与工程, 2023, 0(6): 52-58.
[6]	旷佳, 蒋亚琴, 汪舟, 杨莹, 甘进, 王晓丽, 曾飞, 谭理成. 一种考虑纤维桥接影响的三线性内聚力模型[J]. 复合材料科学与工程, 2023, 0(3): 27-33.
[7]	崔开心, 卢翔, 赵耀斌. 补片搭接长度对修理层合板湿热振动特性的研究[J]. 复合材料科学与工程, 2023, 0(11): 12-20.
[8]	许良, 胡鸿铭, 周松, 宋万万. 基于预制分层损伤方法的复合材料三次冲击损伤研究[J]. 复合材料科学与工程, 2023, 0(11): 21-27.
[9]	叶帆, 王显峰, 王东立, 高天成, 张浩天, 冯天洋. 不同铺层数量下的纤维角度曲线变化复合材料层合板振动特性研究[J]. 复合材料科学与工程, 2023, 0(1): 44-54.
[10]	贾宝惠, 王浩, 卢翔, 单金洋, 赵耀斌. 湿热环境下含分层损伤碳纤维/环氧树脂层合板振动特性[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(9): 54-61.
[11]	成李南, 徐思文, 陈向明, 李新祥, 屈天骄. 含预埋缺陷复合材料帽形加筋壁板界面失效研究[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(8): 28-34.
[12]	邹财勇, 石广兴, 李杰, 刘思南. 典型结构钻头钻削正交编织CFRP轴向切削力及制孔质量研究[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(8): 99-104.
[13]	闫金顺, 孙鹏文, 马志坤, 赵雄翔, 董新洪. 幂函数过滤函数不同参数对层合板拓扑优化收敛率的影响[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(6): 5-9.
[14]	蒋朕琦, 黄文健, 曹诗宇, 吴超群. 不同刀具对超声辅助钻削CFRP分层损伤的影响研究[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(2): 56-61.
[15]	罗峰, 陈秀华, 张磊, 周银华. 碳纤维/聚醚醚酮单搭接焊接结构的破坏试验及强度预测[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(10): 99-106.