复合材料帽型筋条脱粘的失效机理分析

复合材料加筋结构承受后屈曲载荷时,蒙皮局部屈曲会导致筋条承受面外弯曲载荷,极易引起蒙皮与筋条的界面脱粘,最终导致结构破坏.通过四点弯曲试验模拟加筋结构受后屈曲载荷时的蒙皮/筋条界面性能,建立渐进损伤模型,分别考虑筋条与蒙皮胶接界面以及复合材料层板的失效,并引入材料刚度退化模型,详细分析蒙皮/筋条界面的脱粘机理和失效过程.分析结果与试验结果一致,表明加载跨距对于结构的失效形式影响较大,90 mm加载时,胶层均首先失效于筋条与蒙皮内角处的胶接界面,且主要受Ⅱ型剪切模式影响;而150 mm加载情况下胶层均首先失效于翼缘自由端与蒙皮交界处.正向加载时胶层失效主要受Ⅰ型和Ⅱ型混合模式影响,反向加载胶层主要受Ⅱ型剪切模式影响.界面脱粘以后,随着载荷增加,筋条腹板与缘条转角外侧出现分层破坏,损伤模型预测结果与超声扫描检测结果一致.     

基于多线性本构与损伤耦合的叠层陶瓷基复合材料数值预测方法

本文提出一种用于预测复杂应力状态下叠层C/SiC损伤破坏的有限元渐进损伤方法（FE-PDM），并提出与试验载荷—位移曲线、损伤等进行对比、迭代并最终确定模型参数的反演方法。FE-PDM方法包括基于应变控制的3D失效准则，正交各向异性多线性本构关系，基于刚度矩阵的损伤因子耦合方法，以及预测分层的内聚力方法。通过2D叠层C/SiC的面内拉伸、面内剪切、三点弯曲试验分别验证了FE-PDM方法，并分别采用扫描电子显微镜及X射线技术对试样断口形貌和内部损伤进行了分析。结果表明，通过较少的控制参数，FE-PDM方法可精确地预测2D叠层C/SiC各阶段的应力—应变曲线拐点、损伤起始与演化过程及载荷—位移响应曲线等，并与试验结果吻合良好。     

平纹编织C/SiC复合材料在室温和高温环境下的拉伸行为

通过单向拉伸试验,对比研究平纹编织C/SiC陶瓷基复合材料在室温和高温(1300℃,包括惰性气氛和湿氧气氛)环境下的宏观力学特性,并采用光学显微镜和扫描电镜对试件断口进行显微观察,分析其损伤模式和破坏机理。结果表明:C/SiC复合材料的室温和高温拉伸行为通常表现为非线性特征,在低应力时就开始出现损伤;纤维与基体之间界面滑行阻力的降低使C/SiC复合材料在高温惰性气氛环境下的拉伸强度和破坏应变均比室温下的高;碳纤维的氧化严重影响材料的承载能力导致高温湿氧环境下的拉伸强度和破坏应变均比室温下的低;C/SiC复合材料室温和高温下的拉伸均呈现韧性断裂,断口较为相似,只是纤维拔出长度和断口的平齐程度有所不同,其中高温惰性气氛环境下纤维拔出最长,高温湿氧环境下试件断口有明显的被氧化痕迹;0°纤维束表面基体开裂、明显的层间分层以及0°纤维和纤维束的拔出和断裂同时携带90°纤维束拔出是C/SiC复合材料在室温和高温下的拉伸破坏机理。     

二维叠层C/SiC复合材料低能量冲击损伤实验

C/SiC复合材料是航空航天器中的耐高温材料,其服役环境存在低能量冲击源且关于此类冲击事件的研究相对较少。本文主要采用落锤冲击系统性地揭示2D叠层C/SiC复合材料平板的抗低速低能量冲击性能,通过改变冲击能量考核不同单层厚度和平板厚度的抗冲击性能变化,并利用CT技术进行冲击后无损检测,分析结构内部细观损伤。结果表明：冲击载荷下,C/SiC复合材料按冲击载荷变化可分为线性、屈服和回弹3个阶段;典型冲击损伤形式包含局部压溃、分层、纤维断裂及基体微裂纹;同等结构厚度,单层厚度越大C/SiC复合材料平板冲击变形和冲击损伤越小,冲击阻抗值越高;同等单层厚度下,结构总厚度较大的C/SiC复合材料平板冲击损伤较小,冲击阻抗较大。因此,C/SiC复合材料的预制体层数与结构厚度对低能量冲击源较为敏感,且减小单层厚度及增加结构总厚度可明显提高其抗冲击性能。     

航空碳纤维树脂基复合材料加筋板压缩屈曲及后屈曲性能

开展了复合材料加筋板轴压稳定性实验,对加筋板的屈曲及后屈曲性能、破坏模式和后屈曲失效表征进行了研究.实验结果表明加筋板在轴压下具有良好后屈曲承载潜能,破坏载荷约为屈曲载荷的2.2倍;其屈曲模式为筋条间蒙皮首先发生屈曲失稳,筋条在整个承载过程中保持直线,起到“屈曲分隔”的作用.通过对加筋板屈曲及后屈曲性能的理论分析,得出的理论屈曲载荷和理论破坏载荷与实验结果相对误差均小于8%,并确定了在后屈曲过程中蒙皮中心挠度的变化规律和轴向载荷的面内分布特征.      

玻璃纤维增强铝合金层板连接孔挤压性能实验研究

为研究玻璃纤维增强铝合金层板(GLARE)在挤压载荷作用下的损伤起始、演化方式和失效特点,采用超声C扫描、断面分析和扫描电子显微镜对三种铺层方式的GLARE层板单钉双剪实验进行观测。对挤压载荷下层板损伤起始和演化进行了观察对比,分析了铺层方式对层板挤压失效过程和破坏模式的影响。对实验中观察到的金属塑性变形、纤维屈曲、基体开裂、分层扩展等现象之间的关系进行了分析和说明。实验表明,挤压初始阶段,GLARE层板主要由铝合金承载,铝合金进入塑性之后,层板承载特性、损伤过程及最终破坏模式主要受纤维铺层方式影响。     

复合材料梁腹板不同开孔形式稳定性研究

由于工艺性、维护性等要求,复合材料结构梁腹板中不可避免需开孔,不同形式的开孔有着不同承载能力。通过对梁腹板结构不同形式的开孔进行剪切载荷下屈曲试验研究,得到屈曲载荷和破坏载荷,对比不同开孔对结构承载的影响,并通过有限元进行数值模拟分析,屈曲载荷和试验基本吻合。同时试验得到复合材料结构有较强的后屈曲承载能力。     

先进复合材料薄壁加筋板轴压屈曲特性及后屈曲承载性能

对国产先进复合材料薄壁加筋板结构进行了轴向压缩试验.通过监测典型位置的应变和离面位移,研究了该型加筋板的轴压屈曲及后屈曲性能.应用工程算法对试验件的蒙皮初始屈曲载荷和屈曲模态进行了预测,试验结果表明,该型加筋板的轴压屈曲形式依次是筋条间蒙皮的初始屈曲、部分蒙皮的二次屈曲以及4根筋条的柱屈曲;蒙皮发生屈曲后,蒙皮承担的部分载荷转移至筋条,使筋条成为主要承力部分,当筋条发生断裂后,试验件迅速整体破坏;其破坏载荷平均值为482.67 kN,屈曲载荷的平均值为204 kN,前者为后者的2.37倍,说明该型结构具有很大的后屈曲承载空间.     

舰载机机身加筋壁板屈曲疲劳试验

舰载机弹射起飞和拦阻着舰的张力场屈曲波在机身壁板上产生附加的拉伸或弯曲应力，从而显著降低结构疲劳强度、改变疲劳破坏部位。以张力场梁形式的三点弯曲试验开展了反复屈曲下的疲劳特性研究。通过疲劳试验测得的临界屈曲载荷与按工程张力场理论得到的临界屈曲载荷对比，吻合较好。根据3级不同载荷水平下的疲劳试验结果，给出了张力场梁屈曲疲劳试件的无量纲载荷比-寿命曲线及载荷比-张力场系数曲线。根据张力场系数与载荷关系、载荷寿命曲线及飞机寿命指标可控制张力场的严酷程度来开展机身壁板轻量化设计。本项工作为舰载机机身壁板在弹射起飞和拦阻着舰过程中的反复屈曲疲劳问题评定积累了数据。     

2D C/SiC 复合材料的静压痕力的损伤表征

为考察2D C/SiC 复合材料在外力作用下产生的不可见损伤对其力学性能的影响。通过静压痕实验引入损伤,采用红外热波成像和残余性能测试的方法,表征2D C/SiC 复合材料的损伤。结果表明:施加能量为0.75 J时,复合材料内部开始产生损伤, 施加能量为1.8 J(接触力1 700 N、压痕深1 mm)时,损伤模式发生转变;随着损伤程度的加重,残余压缩强度下降率约为残余拉伸强度下降率的2倍。