摘要
纤维增强复合材料是由纤维与基体材料经缠绕、压模或挤拉等复杂工艺而形成的新型材料。纤维增强复合材料具有较好的比强度、比刚度等力学特性而广泛应用于飞机和汽车制造业。工程上，纤维增强复合材料常以管状体作为简化结构来承载拉压剪或冲击载荷。不同于金属材料，纤维增强复合材料组分十分复杂，其内部可视为各向异性的多组织结构。因此其力学性能受纤维的铺设方式、管壁厚度、截面形状等多种因素影响。目前针对纤维增强复合材料管体损伤的研究尚不全面。本文基于复合材料层合理论，关注纤维增强复合材料层间和层内损伤，采用数值仿真方法研究管体在径向和轴向载荷下的失效过程。 本文主要的研究内容如下: (1)针对复合材料分层失效，首先通过LS-DYNA软件建立了一型和二型分层失效的复合材料试件，以Tiebreak绑定接触算法和内聚力单元法分别研究了不同网格密度对层间强度的影响，并通过调节断裂能相关参数对层间强度进行修正。 (2)针对复合材料层内失效，以复合材料非线性拉伸剪切为例，基于渐进失效准则，选取LS-DYNA软件中54号材料本构通过改变相关参数分析了复合材料试件层内失效应力-位移曲线的变化规律。 (3)针对纤维增强复合材料管体径向损伤，以管体径向加载失效实验为研究对象，仿真分析了径向载荷下复合材料管体的首次失效模式和层间脱粘位置。研究了脱粘位置随不同±45°铺设比例的变化规律，导出管体轴向、环向、径向的结构强度进行分析。结果显示:对于厚壁复合材料管体而言，首次分层失效发生在管壁中间部位，适当提高纤维±45°铺设的比例可以增强结构的强度。 (4)针对纤维增强复合材料管体轴向损伤，以正方形、六边形、圆形截面形状为变量，分别研究了两种铺设角度下GFRP和CFRP管体轴向压溃的损伤特性,将其与相同体积的铝管进行对比。结果表明:圆形和六边形截面的初始峰值载荷相差不明显，均优于正方形截面。相比于纤维增强复合材料管体，铝管几乎不产生破损和断裂，多为塑性变形产生堆叠状褶皱。相同条件下，CFRP管体的峰值载荷大于GFRP管体，当玻璃纤维±45°铺设时，管体的初始峰值载荷较低，易于进入渐进破坏吸能阶段。
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