复合材料疲劳损伤演化模拟的鲁棒数值方法

摘要整理

复合材料与金属材料类似，易受疲劳效应影响，这是导致碳纤维增强复合材料（CFRP）构件失效的主要原因之一。在低应力循环加载下，CFRP会表现出机械性能的逐步降解。该现象的数值模拟虽能显著降低产品上市时间和成本，但由于需要进行大量静力分析来考虑疲劳效应引起的实际损伤扩展，计算成本极高。本文提出了一种新型跳跃循环策略——智能循环策略（Smart Cycle Strategy），以避免模拟每个单独循环，从而节省计算资源。该策略是对Shokrieh和Lessard提出的疲劳诱发强度和刚度降解经验模型的改进。智能循环策略基于以下假设：在单元/层板级别出现纤维和/或基体突发损伤之前，疲劳诱发的材料性能逐步降解所引起的应力重分布可以忽略。该数值程序采用ANSYS参数化设计语言（APDL）在商业有限元软件ANSYS MECHANICAL中实现。智能循环程序能够预测疲劳失效准则可能满足的循环次数，并将数值模拟限制在预期出现纤维和基体断裂等显著损伤扩展的循环阶段。该数值策略在30°纤维取向单向铺层试样的拉-拉疲劳加载条件下进行了初步验证，数值结果与文献实验数据在不同静强度百分比下的失效循环次数方面进行了对比。最后，为评估该方法在复杂结构和不同加载条件下的计算时间节省潜力，将该数值方法应用于十字铺层开孔复合材料板在拉-拉疲劳加载条件下的疲劳行为研究。

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