● 摘要
整体化复合材料结构可以充分发挥复合材料的力学性能优势，大幅度减轻结构重量，降低制造、装配成本，提高复合材料结构的安全性。FRP结构全复合材料π接头可以连接非平面复合材料元件，是实现复合材料结构整体化的有效途径。但同时，π接头的连接区域也是承载和传载的薄弱环节，直接决定接头的破坏强度等力学特性，并将决定整体化复合材料结构的完整性和载荷传递路径的连续性。因此，需要对全复合材料π接头的破坏强度和失效机理进行研究，深入了解π接头的承载、传载能力。 本文阐述了整体化复合材料结构的发展状况和复合材料胶接接头的研究现状。比较分析了目前复合材料接头的强度预测方法，确定采用逐渐损伤方法进行FRP结构π接头的强度预测研究。针对逐渐损伤方法所包含的三方面内容：有限元模型、失效准则和材料退化模型，本文建立了全复合材料π接头的三维有限元分析模型，确定了三维复合材料参数选取方法；针对全复合材料π接头的力学特点提出三维修正最大应力准则和三维修正最大应变准则；基于Chang材料退化模型基本思想，提出对应于三维修正最大应力准则和三维修正最大应变准则的材料退化模型。 基于有限元软件Abaqus的二次开发功能，建立了三维复合材料结构强度预测功能模块。应用Fortran语言编制用户子程序UMAT，嵌入多种复合材料三维失效准则和材料退化模型，实现对三维复合材料结构损伤和失效评价。通过不同失效准则及材料退化模型的选择，可以建立复合材料结构多种逐渐损伤模型，实现复合材料结构从初始损伤到极限破坏的全破坏过程模拟。 采用目前应用频率较高的最大应力/应变准则、三维Hashin准则、Tsai-Wu准则以及本文所提出的三维修正最大应力/应变准则及相应的材料退化模型，建立6种逐渐损伤模型对FRP结构π接头进行强度预测。并对拉伸载荷作用下的FRP结构接头进行试验研究，阐述全复合材料π接头的初始损伤、损伤扩展和极限破坏情况，为数值模拟提供验证数据。 研究表明，与现有逐渐损伤模型相比，采用三维修正最大应力准则及对应材料退化模型的逐渐损伤模型数值预测结果与试验吻合良好，不仅可以较好的预测π接头的初始和极限破坏强度及失效部位、判定失效模式、而且可以追踪π接头损伤扩展路径，揭示接头内部应力分布和载荷传递路径。对FRP结构π接头的强度和损伤机理研究表明，在拉伸载荷下，π接头填料是π接头的薄弱区域，是初始损伤的肇因和损伤扩展的主要区域。初始损伤发生后，接头仍然具有较大的承载能力，极限破坏发生在一形铺层。初始破坏和极限破坏都是由于基体的失效引起的。 本文的研究可以深入了解复合材料π接头在拉伸载荷作用下的力学性能，为整体化复合材料结构的强度评价提供理论依据。