基于各向异性相场模型的变刚度复合材料开孔板失效行为分析

doi:10.7527/S1000-6893.2025.32380

中国飞机强度研究所建所 60 周年专刊

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基于各向异性相场模型的变刚度复合材料开孔板失效行为分析

刘凯¹, 王芳丽², 陈滨琦³, 陈向明⁴, 沈子实⁴, 童明波¹()

^1.南京航空航天大学航空学院，南京 210016
^2.金陵科技学院机电工程学院，南京 211169
^3.电子科技大学航空航天学院，成都 611731
^4.中国飞机强度研究所强度与结构完整性全国重点实验室，西安 710065

收稿日期:2025-06-05 修回日期:2025-06-17 接受日期:2025-07-01 出版日期:2025-07-04 发布日期:2025-07-03
通讯作者: 童明波 E-mail:tongw@nuaa.edu.cn
基金资助:
航空科学基金(201928052009);航空科学基金(20230009052004)

Failure behavior analysis of variable-stiffness composite open-hole plates based on an anisotropic phase-field model

Kai LIU¹, Fangli WANG², Binqi CHEN³, Xiangming CHEN⁴, Zishi SHEN⁴, Mingbo TONG¹()

^1.College of Aerospace Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China
^2.College of Mechanical and Electrical Engineering，Jinling Institute of Technology，Nanjing 211169，China
^3.School of Aeronautics and Astronautics，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China
^4.National Key Laboratory of Strength and Structural Integrity，Aircraft Strength Research Institute of China，Xi’an 710065，China

Received:2025-06-05 Revised:2025-06-17 Accepted:2025-07-01 Online:2025-07-04 Published:2025-07-03
Contact: Mingbo TONG E-mail:tongw@nuaa.edu.cn
Supported by:
Aeronautical Science Foundation of China(201928052009)

摘要/Abstract

摘要：

针对变刚度复合材料开孔板的失效行为展开研究，通过其主应力分布拟合了曲线纤维的铺放路径，并构建了一个同时考虑各向异性和准脆性的相场模型，用以预测变刚度复合材料损伤演化行为。首先，在统一相场模型的基础上引入方向相关的裂纹面密度函数以刻画裂纹扩展过程中的各向异性特征。然后，构建了适用于混合失效模式的相场驱动力和损伤本构关系，从而使模型具备分析混合失效机制的能力。通过在UEL子程序中实现交替求解格式和构建单元分层结构，使得相场模型可以通过ABAQUS进行数值计算。为了验证相场模型的准确性与适用性，分别对直纤维和曲纤维复合材料的单边带缺口板进行损伤失效分析，结果表明该模型能够合理预测复合材料力学行为和裂纹扩展路径。最后，基于该模型开展了常刚度与变刚度开孔板的拉伸失效模拟与损伤演化分析。结果显示：各向异性相场模型表现出良好的模拟复合材料损伤演化与断裂的能力；以主应力方向为纤维路径设计的变刚度开孔板相较于常刚度开孔板拉伸强度显著提升。

关键词: 变刚度复合材料, 相场模型, 损伤分析, 裂纹扩展, 失效行为

Abstract:

This study investigates the failure behavior of open-hole Variable-Stiffness Composite （VSC） laminates. A fiber placement path was fitted based on the distribution of principal stresses， and an anisotropic and quasi-brittle phase-field model was developed to predict the damage evolution in VSCs. First， a direction-dependent crack surface density function was introduced into the unified phase-field framework to capture the anisotropic characteristics during crack propagation. Then， a phase-field driving force and damage constitutive relationship suitable for mixed failure modes were constructed， enabling the model to analyze coupled failure mechanisms. By implementing an alternate solution scheme and a layered element structure in the UEL subroutine， the phase-field model was numerically solved using ABAQUS. To verify the accuracy and applicability of the model， damage and failure analyses were conducted on single-edge-notched plates made of straight-fiber and curved-fiber composites， respectively. The results indicate that the model can reasonably predict the mechanical behavior and crack propagation paths of composite laminates. Finally， the model was used to simulate the tensile failure and damage evolution of open-hole plates with constant and variable stiffness. The results show that the predicted crack paths agree well with experimental observations， and the tensile strength of the variable stiffness plate is significantly improved compared to that of the constant stiffness plate.

Key words: variable-stiffness composites, phase-field model, damage analysis, crack propagation, failure behavior

中图分类号:

V215

刘凯, 王芳丽, 陈滨琦, 陈向明, 沈子实, 童明波. 基于各向异性相场模型的变刚度复合材料开孔板失效行为分析[J]. 航空学报, 2025, 46(21): 532380.

Kai LIU, Fangli WANG, Binqi CHEN, Xiangming CHEN, Zishi SHEN, Mingbo TONG. Failure behavior analysis of variable-stiffness composite open-hole plates based on an anisotropic phase-field model[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2025, 46(21): 532380.

图/表 17

图 1

图 2

图 3

图 4

图 5

图 6

图 7

表 1

复合材料属性

属性	数值
纵向弹性模量E₁₁/GPa	114.8
横向弹性模量E₂₂，E₃₃/GPa	11.7
剪切模量G₁₂/GPa	9.66
泊松比μ₁₂	0.21
纵向临界能量释放率G_f/（N·mm^-1）	106.3
横向法向临界能量释放率 $G m Ⅰ$ /（N·mm^-1）	0.277 4
横向剪切能量释放率G_mⅡ/（N·mm^-1）	0.787 9

表 1

图 8

表 2

图 9

图 10

图 11

图 12

表 3

图 13

图 14

参考文献 43

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

属性	数值
纵向弹性模量E₁₁/GPa	125
横向弹性模量E₂₂，E₃₃/GPa	8.16
剪切模量G₁₂/GPa	4.16
泊松比μ₁₂	0.3
纤维拉伸强度S_f/GPa	2.1
基体拉伸强度S_mⅠ/GPa	0.069
基体剪切强度S_mⅡ/GPa	0.136

基于各向异性相场模型的变刚度复合材料开孔板失效行为分析

Failure behavior analysis of variable-stiffness composite open-hole plates based on an anisotropic phase-field model

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试验^［43］	0	30	45	60	90
XFEM^［43］	0	29	43	57	83
单相场模型M_Z^［13］	-	29	43.6	57.5	87
单相场模型M_Y^［14］	0	30	45	60	90
多相场模型^［34］	0	30	45	60	90
本文模型	0	30	45	60	90

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