Numerical simulation study on the evolution of wrinkling defects in carbon fiber laminates based on spatial decomposition damage variable method

ZHENG Haocheng; ZHOU Bo; LI Hui; WANG Yajie; SUN Ning; ZHANG Xueyan

doi:10.16579/j.issn.1001.9669.2025.04.008

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Numerical simulation study on the evolution of wrinkling defects in carbon fiber laminates based on spatial decomposition damage variable method

·Fatigue·Damage·Fracture·Failure Analysis· | 更新时间：2025-04-25

- Numerical simulation study on the evolution of wrinkling defects in carbon fiber laminates based on spatial decomposition damage variable method
- Journal of Mechanical Strength Vol. 47, Issue 4, Pages: 63-69(2025)
- 作者机构：
  
  1.沈阳工业大学机械工程学院，沈阳 110870
  2.沈阳工业大学建筑与土木工程学院，沈阳 110870
- 作者简介：
  
  ZHOU Bo, E-mail: zhoubo@sut.edu.cn
- 基金信息：
  
  National Natural Science Foundation of China(52175105);Liaoning Provincial Department of Education Basic Research Project for Higher Education Institutions(JYTMS20231218);Shenyang Science and Technology Plan Project(23-407-3-21)
- DOI：10.16579/j.issn.1001.9669.2025.04.008
  CLC：
- Received：10 July 2023，
  
  Revised：25 September 2023，
  
  Published：15 April 2025
- 稿件说明：
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郑皓成，周勃，李慧，等. 基于空间分解损伤变量法的碳纤维层合板褶皱缺陷演化的数值模拟研究［J］. 机械强度，2025，47（4）：63-69.

ZHENG Haocheng，ZHOU Bo，LI Hui，et al. Numerical simulation study on the evolution of wrinkling defects in carbon fiber laminates based on spatial decomposition damage variable method［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（4）：63-69.
郑皓成，周勃，李慧，等. 基于空间分解损伤变量法的碳纤维层合板褶皱缺陷演化的数值模拟研究［J］. 机械强度，2025，47（4）：63-69. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.04.008.

ZHENG Haocheng，ZHOU Bo，LI Hui，et al. Numerical simulation study on the evolution of wrinkling defects in carbon fiber laminates based on spatial decomposition damage variable method［J］. Journal of Mechanical Strength，2025，47（4）：63-69. DOI： 10.16579/j.issn.1001.9669.2025.04.008.

摘要

为了研究含褶皱缺陷的碳纤维多向层合板的压缩损伤演化规律并准确预测损伤的萌生与扩展的力学行为，通过采用空间分解损伤变量法建立损伤本构，提出了一种通过减少材料参数个数以降低参数不确定性问题和简化空间变换计算流程的渐进损伤计算方法。首先，利用最大应力和Puck失效准则预测层内损伤的萌生，并结合混合模式损伤演化规律计算损伤变量。其次，基于损伤变量的物理意义在断裂面坐标系下进行空间分解，并代入损伤柔度矩阵推导出损伤本构。然后，为了预测层合板层间应力状态与损伤行为，建立了双线性牵引力-分离法则的内聚力模型。最后，编写了相应的Vumat子程序，并应用于Abaqus软件中完成了0.25 mm/min的准静态压缩加载的数值仿真分析。结果表明，采用此方法建立的有限元模型所预测出的应力-位移曲线和层合板的损伤分布与试验结果相吻合。利用所提计算方法计算真实应力简单直接，便于分析和确定含褶皱缺陷复合材料层合板的损伤位置与损伤演化情况。

Abstract

In order to investigate the compression damage evolution of carbon fiber laminates with wrinkles and accurately predict the mechanical behavior of damage initiation and propagation

a progressive damage finite element model was proposed based on three-dimensional elastic theory by employing a spatial decomposition of damage variables method to establish the damage constitutive relation. Firstly

the maximum stress and Puck failure criteria were used to predict the intralaminar damage initiation

and the damage variables were calculated in combination with the mixed-mode damage evolution law. Secondly

based on the physical meaning of the damage variables

a spatial decomposition was carried out in the fracture plane coordinate system

and the damage constitutive relation was derived by substituting the damage stiffness matrix. Then in order to predict the interlaminar stress state and damage behavior of laminates

a cohesive zone model with a bilinear traction-separation law was adopted. Finally the corresponding Vumat subroutine was developed and implemented in Abaqus software for the numerical simulation analysis of quasi-static compression loading at 0.25 mm/min.The stress-displacement curves and damage distribution of laminates predicted by the finite element model are in good agreement with test results. The proposed calculation method is simple and direct for determining true stress

making it convenient for analyzing and identifying the damage location and damage evolution of composite laminates with wrinkles.

关键词

Keywords

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