● 摘要
碳纤维复合材料是航空航天重要结构材料之一。近年来由于国外的限制，进口碳纤维已经远远不能满足国内的需求，因此，碳纤维国产化迫在眉睫。本文以国产碳纤维复合材料损伤机理和失效模式研究项目为背景，结合试验分析和有限元数值模拟两种手段，基于国产碳纤维复合材料含孔层合板失效模式的研究，建立符合其失效机理的有限元预测模型。本文在不同有限元模型下研究了失效准则和引入初始损伤对层合板的剩余强度的影响，并建立了CCF300含孔试件三维模型，提高了其剩余强度的计算精度，为国产碳纤维复合材料的工程化应用提供了重要的理论基础。
本文针对CCF300复合材料层合板在拉伸载荷下的拉伸行为及剩余强度进行了深入研究。试验从宏观和微观的角度分析了CCF300复合材料含孔层合板的失效模式，并与T300复合材料试件的失效模式对比。重点研究了基体断裂、纤维断裂和分层三种损伤的萌生、扩展和最终失效的过程，对比分析两种复合材料含孔层合板在室温干态和高温湿态下的失效模式。
以ABAQUS软件为计算平台进行了有限元仿真，通过比较选取合适的网格建立拉伸过程下的CCF300复合材料含孔层合板的有限元模型。传统的T300复合材料含孔层合板拉伸失效过程中，由于界面性能强，分层损伤几乎不沿厚度方向扩展，因此工程计算时一般采用二维模型来进行计算。CCF300复合材料含孔层合板由于其界面性能差，拉伸过程中分层损伤沿厚度方向扩展严重，本文针对这一问题，比较了CCF300含孔试件二维模型和三维模型的计算结果，结果表明采用三维模型可以提高层合板剩余强度的预测精度。
本文还比较了Tsia-Wu准则和Hashin准则对载荷—位移曲线和剩余强度的计算结果。在此基础上，运用渐进失效分析的方法比较了二维模型和三维模型对于层内基体断裂和纤维断裂两种损伤起始、扩展和结构最终破坏的影响。运用Cohesive单元模型分析了层合板拉伸过程中的分层失效问题，数值模拟的结果与试验结果吻合较好。根据CCF300复合材料构件在制造过程和实际使用中产生的孔边分层缺陷的情况，在孔边预置分层，分析了分层损伤的引入对于层合板剩余强度的影响。研究成果为国产纤维复合材料失效模式试验设计、剩余强度的预测方法、工程使用和维修提供了重要依据。