缝合复合材料弹性常数细观力学模型的分析比较

对近几年来公开发表的缝合复合材料弹性常数的细观力学模型进行了分析比较。通过计算对比了铺层纤维面内弯折、正弦波状弯曲、多项式描述纤维弯曲三个典型的缝合复合材料弹性常数的细观力学分析模型。结果表明,采用面内纤维弯折假设的弹性常数分析模型对缝纫参数的改变不敏感;采用面内纤维弯曲假设的模型对缝纫参数改变敏感,不同模型得到的弹性常数随缝纫参数变化趋势几乎是相同的。但是,假设纤维在针脚附近只有部分纤维发生弯曲比假设纤维全部发生弯曲得到的结论更合理。     

缝合复合材料单层板的弹性常数分析

根据缝合层合板的细观几何特征,考虑因缝线穿过纤维导致纤维弯曲的近似正(余)弦曲线情况,建立了反映缝合复合材料层合板细观结构形式的单层板有限元模型。在此模型的基础上分析了T700/QY8911缝合单层板的有效弹性常数,并与未缝合模型进行了比较。有限元模型和实例分析说明利用有限元途径分析缝合单层板的有效常数是切实可行的,同时为缝合层合板/壳的有关常数的有限元分析奠定了理论基础。     

一种新的三维四步编织复合材料几何模型及其在宏观弹性性能预测中的应用

 为了准确预测三维四步(1×1)编织复合材料的宏观弹性常数，提出了一种考虑纤维束三维几何结构和纤维束与基体相互作用、便于有限元网格划分的单胞几何模型，该模型精确地反映了纤维体积比。以该几何模型为基础，用六面体单元分别对纤维束和基体进行了网格划分，满足了纤维束与基体界面间的位移连续条件。采用有限元模型计算了编织复合材料的宏观弹性常数，与其他计算结果和实验结果的比较表明，该几何模型和有限元模型比较合理。     

考虑孔隙的三维编织陶瓷基复合材料弹性常数预测方法

提出了利用气孔单元并考虑基体孔隙随机分布来预测三维编织陶瓷基复合材料弹性常数的方法.通过工业computed tomography(CT)扫描技术测得孔隙率,在胞元模型中利用Monte-Carlo仿真技术在基体上随机投入气孔单元来模拟三维编织陶瓷基复合材料中的孔隙,利用胞元有限元模型计算了孔隙率对三维编织陶瓷基复合材料弹性常数的影响规律.结果表明:①孔隙率对三维编织陶瓷基复合材料弹性常数具有明显的影响;②对给定的孔隙率,孔隙的位置分布对沿纤维束方向弹性模量的影响较小;③随着孔隙率增加,沿纤维束方向弹性模量降低.同时,开展了SiC/SiC复合材料的室温拉伸试验,弹性模量计算值和试验结果吻合较好,表明该方法可以用来预测含孔隙的三维编织陶瓷基复合材料的弹性常数.      

2.5D编织复合材料细观结构及弹性性能

基于对2.5D编织复合材料细观结构的观察,提出了结构上更稳定的三维力学模型,反映了2.5D编织复合材料的结构.针对该模型,推导了纤维体积分数与几何参数之间的关系,并采用刚度平均法和有限元法预测了2.5D编织复合材料的等效力学性能,分析了弹性常数随纤维体积分数以及经密、纬密的变化规律.两种方法的预测结果均表明,倾斜角对弹性性能影响并不显著,但对材料内部的细观应力场有较大影响.理论预测与有限元结果吻合较好,从而验证了模型的有效性.     

缝合单层板弹性常数的计算与分析

建立了缝合单层板弹性常数分析模型,通过考虑缝线穿过纤维时产生的弯曲并假设近似正(余)弦曲线,计算T700/QY8911缝合单层板的有效弹性常数,并将其与未缝合模型比较,总结了各缝合参数(行距、针距、缝线半径)对有效弹性常数的影响,为分析缝合层合板弹性常数提供了依据。     

二维编织SiC/SiC陶瓷基复合材料宏观弹性常数预测及模态试验研究

为了研究二维编织SiC/SiC陶瓷基复合材料振动特性,建立了宏观等效弹性常数预测方法,并在此基础上开展了复合材料平板件的模态分析及试验验证。首先,根据二维编织SiC/SiC陶瓷基复合材料结构特点,建立了基于3次B样条曲线和正弦曲线的单胞模型;然后,利用细观力学有限元法预测了复合材料的宏观等效弹性常数,弹性模量预测结果与文献试验数据的相对误差小于3%;最后,开展了二维编织SiC/SiC陶瓷基复合材料平板件的锤击法模态测试试验,有限元预测的前五阶模态频率与测试结果相比,相对误差均小于4%。     

三维四向编织复合材料的弹性性能预测研究

根据三维四向编织复合材料中纤维束的空间几何结构特征,提出了改进的三细胞模型,该模型包含内部单胞、两种表面单胞以及棱角单胞四类结构,考虑了各类单胞中纤维束的空间结构,并引入平均纤维束填充因子来描述各类单胞中纤维束的不同截面形状对材料弹性常数的影响.基于刚度平均化方法建立了相应的刚度预测模型,得到了三维四向编织复合材料的工程弹性常数.与实验结果的对比表明,计算结果的预测精度较好.最后讨论了编织角和纤维体积分数对材料等效弹性性能的影响.      

缝合复合材料接头的二维有限元模拟

提出了一种缝合复合材料接头的二维有限元模型的建立方法。该方法包括表现层压板截面内弹性模量的表观工程常数的推导，缝线模型的建立，以及分层破坏的模拟。该方法建模简捷，计算时间短，可以用来快速估算接头的连接强度。     

纤维增强金属基复合材料细观几何结构对宏观弹性性能的影响

基于复合材料宏、细观场量之间的联系，建立了一种纤维增强复合材料宏—细观力学模型。该模型建立起了宏观与细观应力、应变场量之间的联系，获得了宏观应力—应变关系，试验及理论计算表明，该模型能够较好地预测复合材料宏观弹性性能。利用该模型研究了纤维截面形状和排列方式对金属基复合材料宏观弹性性能的影响。     

缝合复合材料弹性性能的三维有限元细观分析与试验验证

建立了缝合复合材料代表单元体的三维有限元模型,模型中考虑了缝线的实际形状,以及缝线与层合板之间的位置关系,并把层合板的每层视为有一定厚度的体,全面考虑缝合层板在3个方向上的性能。模型所取的单元体为全厚度方向,相对实际细观结构简化较少,分析结果与试验数据的比较表明,分析模型所得的结果可信,可以用于工程设计,为缝合复合材料的分析和减少试验件提供了理论分析方法。     

修理问题中层压板特性的工程估算方法

研究了层压板修理中对无损、开孔以及具冲击损伤情况下力学性能的简便工程计算方法。根据自行设计的试验及其相关文献的试验结果,采用Heslehurst关于层压板弹性常数及强度的估算方法时数据进行了分析,同时把其对开孔板得到剩余强度的估算方法推广到合冲击损伤在内的损伤结构剩余强度。多种材料体系和铺层方式组成的层压板的试验和计算对比表明,该工程算法给出的精度大都在20%以内。因此可以用该算法来确定结构的修理容限的下限。     

用比值法计算材料及其机件的疲劳损伤

提出了在非对称循环加载下描述材料弹塑性材料行为的损伤演变速率方程式与各个历程与不同损伤量DCi相对应的寿命NCi估算式。其方法是采用以塑性应变幅同弹性应变幅之比值ΔEp／Δεe作为应力应变参量，以常用的材料常数作为材料参数。而且，还提出了与常用材料常数、平均应力与平均应变、加载临界历程长短有着函数关系的综合性材料常数的新概念。此外，以汽车的某一零件为例，计算了它的疲劳损伤。其计算结果与Landgraf方程式计算结果一致，且计算精度较高。这对避免过多而重复的疲劳试验，对方便工程应用，对节约人力、时间和资金有着实际意义。     

湿热环境下复合材料层合板本构模型研究及其应用

近年来复合材料被广泛地应用于航空航天等工程领域。在实际的使用中,复合材料在不同的湿热环境下其力学性能会发生显著变化,针对这一问题,国内外已有大量的试验研究,而对湿热环境下复合材料的本构模型理论的研究则较少。在经典层合板理论基础上引入湿热膨胀系数的概念,通过定义一个无量纲的温度,建立材料弹性常数与湿热参数之间的函数关系,推导出复合材料单层板在湿热力耦合作用下的本构关系,同时加入三维Hashin失效判定准则对层合板的损伤演化及失效模式进行模拟。结果表明:该模型较好地预测了复合材料层合板在不同湿热环境下的弹性响应,为分析实际工程中复合材料结构模型在湿热环境下的力学行为提供了重要参考。     

基于均匀化方法的缝纫层压板拉伸弹性模量有限元预测

利用均匀化方法研究缝纫复合材料层压板的弹性性能，给出了相应的数学分析模型。建立了有限元分析的单胞模型，并进行求解。计算结果表明，利用这种半解析模型可以得到缝纫层压板的弹性模量的上下限，其平均值与实验结果平均值吻合得很好。     

层合板孔内轴销的应力和位移分析

随着科学技术的发展,在航空与航天结构中,复合材料层合板得到愈来愈广泛的应用。在层合板与层合板之间,以及层合板与金属构件之间,广泛采用螺接、铆接等连接形式（图1）。在外载荷作用下,孔与螺栓或铆钉等轴销类零件互相挤压。与一般金属板件不同,由于层合板为各向异性板,挤压应力沿孔边或轴销表面一般不再按余弦规律分布。为了分析层合板的孔边应力,许多作者对此问题进行了广泛的研究。但是,由于问题的复杂性,多数作者将轴销视为刚体,少数作者虽然将其视为弹性体,但将轴销的受力则简化如图2所示,即由作用在轴销中心的集中力平衡挤压力。显然,上     

大展弦比机翼总体刚度的气动弹性优化设计

针对大展弦比机翼总体刚度设计问题,提出了梁架模型气动弹性优化和三维优化模型折算两种设计方法,并以大展弦比机翼为例对两种方法的合理性进行了验证.前者基于机翼梁架式模型,利用气动弹性优化方法对其主梁刚度进行设计,其特点是建模简单、计算效率较高,可以在设计信息较少的概念和初步设计阶段使用,但由于约束条件考虑较少,设计结果相对...