复合材料板壳结构低速冲击损伤问题的扩展逐层理论研究及其应用

For laminated composite structures, the accurate simulation of coupling stress fields resulted from matrix crack tips and delamination fronts is very important for predicting the onset and propagation of low-velocity induced damages. In this research project, based on the extended Layerwise method (XLWM) established in our previous works, a Full-XLWM method will be developed for laminated composite plates and shells with multiple delaminations and matrix cracks. We will focus on the refined analysis methods for the low-velocity induced damage in laminated composite plates and shells with/without complex stiffeners. The research content includes: 1) the VCCT-XLWM method and Full-XLWM method; 2) the transient explicit XLWM methods; and 3) analysis model of the impact responses and damages for laminated composite plates and shells, and its application to the laminated composite structures with complex stiffeners. The coupling effect of the stress fields of matrix crack tips and delamination fronts can be accounted accurately by the method developed in this project, together with the simultaneous propagation of matrix cracks and delaminations. The present methods extended application of the extended finite element method (XFEM) to prediction of laminated composite damage. The research results would provide effective theoretical methods for extension mechanism of low-velocity impact damage in the composite material structure, and a theoretical support for impact resistant design of advanced composite plate and shell structures in aircrafts.

精确模拟基体裂纹尖端和层间分层前缘的耦合应力场是通过数值方法研究复合材料结构中低速冲击损伤起始和扩展的关键技术，本项目拟在已有复合材料结构扩展逐层理论(XLWM)的基础之上建立完全扩展逐层方法（Full-XLWM），重点研究适用于复合材料板壳结构及加筋板壳结构低速冲击损伤问题的精细分析方法。研究内容包括：建立复合材料结构的VCCT-XLWM方法和Full-XLWM方法；建立复合材料结构的瞬态显式XLWM方法；建立复合材料板壳结构的中低速冲击响应和损伤预测模型，并将其应用于含复杂加筋复合材料板壳结构的冲击损伤问题。本项目的研究将为模拟分层前缘和基体裂纹尖端应力场之间的耦合效应提供一种新的理论分析方法，实现分层和基体裂纹同时任意扩展的精细预测，拓展扩展有限元方法（XFEM）在复合材料结构损伤预测方面的应用范围。项目的研究成果可以为复合材料结构低速冲击损伤扩展机理的研究提供一种有效的数值手段。

本项目对已有复合材料结构扩展逐层理论进行了改进，并建立了适用于复合材料板壳结构中低速冲击损伤问题的精细分析方法。研究内容包括： .1. 基于复合材料层合梁的扩展逐层方法（XLWM），建立了复合材料层合板结构的扩展逐层方法，并推广应用于复合材料层合双曲壳结构，系统地验证了XLWM方法在静力响应、应力强度因子以及横向裂纹和分层任意扩展等方面的正确性，并证明XLWM方法既适合薄板壳也厚板壳，在本质上与三维有限元法等效的。.2. 将Wilson非协调元中的扩充项引入传统扩展有限元方法（XFEM），建立了IXFEM，用于提高收敛速度；将IXFEM的思想引入XLWM方法，建立了IXLWM方法；将两相材料界面裂纹的裂尖扩充函数引入XLWM方法，进一步扩展XLWM方法在厚度方向上的位移假设模式，建立完全XLWM方法。.3. 将虚拟裂纹闭合技术（VCCT）引入XLWM方法，建立了复合材料层合板壳结构的VCCT-XLWM方法，结合任意形状分层前缘移动跟踪技术，实现了分层和横向裂纹同时任意扩展。.4. 基于复合材料加筋和夹芯结构的LW/SE方法，建立了复合材料多层夹芯结构的LW/SE方法，以及含分层和横向裂纹损伤复合材料加筋和夹芯结构的XLW/SE方法。.5. 将XLWM方法应用于无损伤和含损伤复合材料层合板的动力学问题，建立了XLWM方法的显式积分格式，并结合连续损伤力学方法，建立了含初始裂纹复合材料层合板低速冲击问题的准三维数值分析模型。.6. 在XLWM方法的基础上，建立一种新的复合材料层合板细观分析模型，能同时模拟基体裂纹、纤维断裂、基体与纤维界面脱胶、分层损伤、横向裂纹，该模型还用于研究横向裂纹上的纤维桥接效应；建立了复合材料曲梁的两尺度和三尺度计算连续体模型。