复合材料层合板因其具有高比模量、高比强度、耐高温、抗疲劳、可设计性强等独特优点而广泛应用于航空航天等各种领域,但它在厚度方向的强度较弱,尤其是铺层间的粘接层的强度低,这使得它在受到物体的低速横向冲击作用后极易产生损伤和破坏,如基体开裂、层间分层、基体剪切、纤维断裂等损伤,其中,分层是最主要的破坏形式。分层会导致复合材料的压缩强度或承载力明显降低,分层的扩展使层合结构的刚度和强度迅速下降,从而导致结构的整体失稳和断裂。分层破坏主要发生在层合板的界面层上,故界面元的性能是分层数值模拟效率和精度的关键。虽然研究者已提出了各种界面元,但这些界面元或不宜使用或精度不高。因此本文将探讨一种能够较精确地预测界面层的力学行为和失效机理的新界面元-固体壳单元(solid-shell element),以用于复合材料层合板分层的高效计算机模拟。本文的主要工作可概括为以下几个方面:(1) solid-shell单元性能的评估,在层合板结构中,界面层的厚度远远小于铺层的厚度,故界面层单元的长高比很大,但即使在这种情况下其解也是合理可信的,因此使用solid-shell单元作为界面元可以用来表征粘接层的性能,用粘接层材料的应力-应变关系描述界面层的变形和破坏。(2)利用solid-shell界面元的单元生死功能对双悬臂梁模型的分层进行了数值模拟,模拟结果与实验结果很吻合,从而说明采用solid-shell界面元模拟复合材料的分层是可行的。在此基础上对端边切口实验进行了数值模拟,其模拟结果与实验结果也比较吻合。(3)由于低速冲击问题可以转换成准静态问题,本文将最大冲击力作为集中载荷加载到板的冲击接触处,结合分层准则计算得到分层形状和尺寸。(4)以三种典型的复合材料层合结构作为算例进行了计算,讨论了三种结构在特定的加载条件下可能分层破坏的位置。本文的研究结果表明solid-shell界面元可以准确和方便的模拟复合材料层合板结构的分层过程,它直接基于粘接层实际的几何尺寸和材料性能,且计算快,精度高。所以本文所建议的solid-shell界面元为复合材料层合板的分层损伤模拟提供了一个高效的建模方法。