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復合材料層壓板由于具有比強度和比剛度高、可設(shè)計性好、抗疲勞性能優(yōu)異等優(yōu)點，在工程技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應用。對于復合材料層壓結(jié)構(gòu)強度的有限元分析研究，目前較常見的是采用逐步失效處理方法，建立層壓板損傷發(fā)生、擴展過程仿真模型。具體根據(jù)應力分析方法的不同，又分為二維1,2，和三維，逐步失效分析。與二維分析相比，三維分析由于能更加準確地計算孔邊應力分布，并考慮到層間損傷及鋪層次序的影響，而更具優(yōu)越性。文獻通過采用ANSYS軟件的SOLID46單元建模進行三維應力分析，并與相應的失效判據(jù)、剛度退化方法相結(jié)合，成功地進行了復合材料層壓結(jié)構(gòu)的強度分析。文獻介紹了一種層壓板的準三維模型，與文獻中的三維實體模型相比，該模型的優(yōu)點是：不僅能比較準確地計算面內(nèi)應力和層間應力，也能方便地通過面內(nèi)單元和層間單元剛度的適當退化，在強度分析中更加形象和恰當?shù)乇硎久鎯?nèi)損傷、層間損傷及其演變過程。本文在采用這種準三維模型對層壓板進行三維應力分析的基礎(chǔ)上，發(fā)展了一種考慮層間應力的復合材料層壓板靜強度分析方法，模擬層壓板損傷產(chǎn)生、發(fā)展直至破壞的完整過程，并給出強度值。
層壓板靜強度分析過程主要包括應力分析、失效分析和材料性質(zhì)退化三個組成部分。由于各子層彈性性能的不同，以及自由邊界的存在，層壓板中除存在各子層的面內(nèi)應力外，還存在層間應力。準確地計算這些應力是多軸應力下強度分析的前提。目前計算層間應力的方法主要有：有限元法、有限差分法、三角級數(shù)法等。本文采用一種準三維有限元模型，來對層壓板進行應力分析。該模型包括四結(jié)點板元、剛性元和彈簧元，具體構(gòu)造如圖。建模時，在每層的中面上采用四結(jié)點板元劃分網(wǎng)格。然后在每兩層上下對應的板元結(jié)點的連線中點生成兩個重合結(jié)點。將這兩個結(jié)點與它們對應的上下兩層的板元結(jié)點之間通過剛性元分別連接，重合結(jié)點之間則嵌入3個彈簧元。四結(jié)點板元的剛度由子層或單向板的剛度性質(zhì)決定；剛性元的作用是確定板元結(jié)點與相應層間結(jié)點自由度之間的相互關(guān)系，并反映各層的厚度；3個彈簧元中，通過其中的兩個來模擬層間的剪切變形，另一個用來反映層間拉壓變形，只需以厚度中面為界取一半進行分析，此時厚度中面處的模型結(jié)構(gòu)如圖。分析時，各層面內(nèi)應力。可通過自編程序讀取有限元軟件的結(jié)果文件直接得到。對于層間應力，將讀取的各彈簧力除以該彈簧元的代表面積八即可得到相應的層間應力分量。
對于面內(nèi)單元(即四結(jié)點板元)將復雜多樣的損傷形式歸納為纖維失效和基體失效兩種模式，與之對應有兩種剛度退化方式。如果發(fā)生纖維失效，則也必會發(fā)生基體失效，該單元的彈性常數(shù)E11、E22和G12均退化為零。當發(fā)生基體失效時，E11不變，其它彈性常數(shù)退化為零。對于層間單元(即彈簧元組無當發(fā)生分層失效時，將該處3個彈簧元的剛度置a將層壓板的靜力失效看成是各單元逐漸發(fā)生失效的動態(tài)過程。
強度分析的具體步驟為：(1)健立復合材料層壓結(jié)構(gòu)準三維模型，對模型施加外載荷P調(diào)用NASTRAN進行應力分析。(2)據(jù)靜力失效準則計算各面內(nèi)單元的強度比，及層間單元的強度比確定最小強度比，將分別滿足準則，對于面內(nèi)單元，根據(jù)失效時縱向應力與縱向沿軸強度的相對大小判斷其失效模式，單層材料的縱向應力等于或大于縱向的沿軸強度，認為發(fā)生了纖維失效，否則就是基體失效。對于層間單元，認為只有層間分層一種失效模式。對失效單元根據(jù)其失效模式，按所述進行剛度退化。(3)重復步驟每一次分析都可以得到一個失效強度，直到這個強度值下降到足夠低的水平，此時認為層壓板發(fā)生總體失效，失去承載能力。層壓板的靜強度為這些逐次失效強度中的最大值。
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