含中心圆孔复合材料层合板失效分析及强度预测研究

对复合材料结构进行开孔将会导致结构强度显著下降。以含中心圆孔的复合材料层合板为研究对象,根据ASTM D 5766标准对三种不同铺层比例的含中心圆孔复合材料层合板进行拉伸试验,研究不同铺层比例对复合材料开孔拉伸试验件的拉伸性能和失效模式的影响。基于连续介质损伤力学,分别采用最大应变失效准则和基于物理失效机制的三维非线性Puck失效准则预测纤维和基体损伤的起始,通过应变表征损伤演化,建立含中心圆孔复合材料层合板的三维有限元模型;并进行数值分析,通过与试验结果对比,表明该模型能有效预测含中心圆孔复合材料层合板的拉伸强度和损伤扩展过程。     

复合材料层压板开孔拉伸力学性能探究

针对碳纤维复合材料层压板力学性能进行理论计算分析,并结合对某型号飞机上的复合材料层压板进行开孔拉伸试验。在层压板试验件上粘贴应变片,记录载荷应变—应力曲线,分析层压板的破坏过程,且通过比较不同的铺层,分析铺层角对层压板力学性能的影响,结合试验后试件照片,分析开孔拉伸试件的破坏模式和失效行为。最后,通过有限元分析软件对层压板进行仿真分析,仿真结果与试验吻合度很高。     

一种非线性模型下的复合材料螺栓连接失效分析

复合材料螺栓连接结构已广泛应用于飞机结构件,研究其拉伸失效问题具有重要意义。结合Hashin失效准则、能量耗散率方法、Puck失效准则和材料损伤连续退化方法,建立一种包含面内损伤和层间损伤的复合材料三维非线性模型;将含开孔层合板准静态拉伸试验结果与有限元数值模拟结果进行对比,两者之间的应力应变响应及最终断裂失效模式一致,证明该本构模型是有效的;在此基础上,对复合材料单钉双搭接螺栓连接结构进行拉伸失效分析。结果表明:数值模拟所得位移载荷响应与试验结果吻合良好,极限拉伸载荷误差不超过5%,满足工程应用要求;加载过程中的孔边变形和损伤累积使得螺栓连接结构整体刚度下降,其最终破坏模式为中搭接板挤压失效。     

含裂口损伤复合材料层合板拉伸试验及数值模拟分析

通过对无损、含损(不同长度的裂口损伤)的碳纤维复合材料层合板进行拉伸试验,研究了裂口损伤形式对碳纤维复合材料层合板拉伸性能的影响。经试验研究,碳纤维复合材料无损层合板的拉伸强度为517.37MPa;且裂口损伤使碳纤维复合材料层合板的拉伸性能显著降低。相比无损层合板的拉伸性能,裂口为5mm的层合板拉伸强度降低26.3%,裂口为15mm的层合板拉伸强度降低23.4%。采用基于三维渐进损伤失效准则编写的子程序对碳纤维复合材料层合板进行拉伸数值模拟分析,模拟了含损层合板的损伤起始过程。通过与试验结果进行比较,验证了模型的合理性。     

冲击损伤和开孔对CYCOM 7701/7781玻纤环氧复合材料层压板典型力学性能的影响

采用CYCOM 7701/7781玻纤环氧织物预浸料和中温固化工艺制造复合材料单向层压板试件。将试件分为三组,分别在低温干态(cold temperature dry,CTD)、室温干态(room temperature dry,RTD)和高温湿态(elevated temperature wet,ETW)三种温度和试件吸湿情况下,测试复合材料单向层压板的无缺口拉伸强度、开孔拉伸强度、无缺口压缩强度、开孔压缩强度和冲击后压缩强度,研究冲击损伤和开孔对CYCOM 7701/7781复合材料单向层压板典型力学性能的影响。结果表明:在CTD、RTD和ETW三种环境下,开孔对CYCOM 7701/7781玻纤环氧复合材料层压板平均拉伸强度均有十分不利的影响,拉伸强度下降约50%;开孔明显地降低了复合材料层压板的拉伸强度的变异系数;在CTD和RTD情况下,冲击损伤和开孔对CYCOM 7701/7781玻纤环氧复合材料层压板平均压缩强度均有十分不利的影响,两种情况的影响比较接近,均下降45%~55%;在ETW环境下开孔使压缩强度下降约为50%,冲击损伤使压缩强度下降30%左右,表明开孔对压缩强度的影响比冲击损伤更为显著。     

基于累积损伤模型的NEPE推进剂温度及率相关破坏准则研究

建立考虑温度及应变率因素的适用于粘弹性固体推进剂的破坏准则,通过对NEPE复合推进剂试件在6组不同环境温度(-50~50℃)下进行了5组不同拉伸速率(1~500mm/min)的等速率拉伸破坏试验,结合试验数据获取损伤模型参数,建立了考虑温度及应变率因素的基于累积损伤的结构强度准则。并利用建立的损伤模型来预测推进剂试件在选定温度(20℃,-50℃)及应变率条件下(20mm/min,200mm/min)的破坏情况,预测结果与试验数值吻合较好,说明该损伤模型能够较好地描述NEPE推进剂材料的破坏过程,可在一定温度(-50~50℃)及应变率(1~500mm/min)范围内作为一种普遍适用的推进剂破坏准则。     

国产碳纤维复合材料开孔拉伸失效分析与预测

基于国产碳纤维复合材料含孔层合板失效模式和损伤机理研究,结合试验分析建立了符合其失效机理的有限元模型,并在有限元模型中研究了不同失效准则对剩余强度计算结果的影响,通过比较试验数据与数值模拟结果表明:二维模型能比较准确地预测国产碳纤维复合材料含孔层合板的剩余强度,破坏载荷的数值模拟与试验数据的相对误差为7.9%,而拉伸模量的相对误差为5.6%.      

开孔层压板拉伸破坏的2D渐进损伤模拟

运用渐进损伤的唯象描述方法,结合应力分析、失效判断、材料刚度退化对开孔层压板在拉伸载荷下从材料开始出现局部破坏直到整个构件失效的过程进行了基于2D有限元模型的数值模拟,模拟得到的位移栽荷曲线与文献曲线基本一致,对最终破坏载荷的预测与文献中的试验值相差-2.0%,与文献预测值相差1%,表明渐进损伤方法可以在工程上用于层压板的失效模拟和预测.     

任意应力比下涡轮盘的塑性应变能寿命模型

以首次加、卸载时由于塑性变形导致循环应力应变曲线偏离弹性线的面积为损伤参量，从能量的角度建立了塑性应变能寿命模型，并运用平方插值的方法获得了任意应力比下塑性应变能和疲劳寿命的关系.利用某发动机涡轮盘的螺栓孔模拟试件与级间盘的跑道孔模拟试件的试验结果进行验证与对比.结果显示:根据应力比采用平方插值时塑性应变能寿命模型计算精度更高.螺栓孔试件的计算寿命与试验结果相差9.42%；跑道孔试件仅相差1.88%.总体上看，该模型计算结果与试验结果吻合很好，具有较高的精度.      

分层损伤对含孔复合材料层合板剩余强度影响

以国产碳纤维复合材料CCF300/QY8911含孔层合板静力拉伸试验为基础,建立了符合其损伤失效模式的有限元三维预测模型.通过引入Cohesive界面单元分析了层合板拉伸过程中的分层扩展,数值模拟的结果与试验结果吻合较好,破坏载荷预测结果与试验数据相比误差在5%以内.根据CCF300复合材料构件在制造过程和实际使用中产生的孔边分层缺陷的情况,在孔边预置分层,分析了初始分层损伤对于层合板剩余强度的影响.结果表明表面预制分层对剩余强度影响较小,但会引起自由边提前分层失效.      

Effect of Stitching on Plain and Open-hole Strength of CFRP Laminates

 Experimental and analytical investigation is conducted to explore the effects of stitching on plain (without hole) and open-hole compressive and tensile strength of uniweave T300/QY9512 laminates under different environmental conditions (20 篊/dry and wet, 150 篊/dry and wet). Strength performance of stitched composite laminates is also studied using finite element analysis (FEA) model and compared with the experimental results to validate the model. It is found that under similar environmental conditions, the open-hole compressive strength of stitched laminate is decreased and open-hole tensile strength increased as compared to the unstitched laminates. Predicted tensile and compressive strengths are found to be in a good agreement with the test results and the relative error in all cases is less than 15%.     

多向铺层碳/环氧复合材料特性及声发射分析

 本文对六种多向铺层的碳纤维增强环氧复合材料的拉伸破坏性能进行了研究,并采用声发射技术监测其损伤扩展过程,分析了它们的破坏机理。 新型的高性能碳纤维增强环氧复合材料应用于宇航、机械及体育器具等,由于工作条件及受力情况是复杂的,采用多向铺层才能满足受拉、压、弯、剪、扭等不同载荷的分别组合,具体铺层设计要针对主要承力情况来确定。多向铺层复合材料的损伤破坏比单向铺层的情况复杂,更需要采用试验的手段来研究它们的力学性能和破坏机理。在非破坏性测试中声发射技术的特点在于能够配合加载装置在进行试验过程中检测并记录复合材料的破坏过程,而且不移动探头的位置即可监测材料的较大区域,因此应用愈来愈多。声发射技术是利用材料或构件受力变形或损伤过程中应变释放产生弹性波这一原理来检测材料的缺陷、退化和破坏,评定材料的性能。声发射技术可以检测复合材料的剪切破坏及拉伸屈服破坏、分层及纤维断裂、粘接强度等。 本工作对六种多向铺层碳/环氧复合材料（包括0/90、±45°、30/60和三种碳布）进行拉伸试验,确定了它们的强度、模量、最大应变率及泊松比,给出六种不同铺层的应力应变关系以及声发射信号量的关系。采用声发射技术配合显微镜观测手段分析不同铺层的碳/环氧材料的声发射表征     

聚氨酯泡沫塑料拉伸本构关系及其失效机理的研究

 通过 3种密度硬质聚氨酯泡沫塑料的拉伸实验,研究了它们的应力 -应变特性及其应变率效应。同时,为确定泡沫塑料拉伸失效机理,对材料进行了扫描电镜下的细观拉伸实验,观察了试件表面胞体的变形与失效过程,再结合宏观拉伸试件断口的扫描电镜分析,进一步讨论了泡沫塑料在拉伸加载下的失效机理。基于泡沫塑料的拉伸应力-应变曲线,用数值方法拟合了泡沫塑料的拉伸本构关系。     

复合材料层压板压缩剩余强度分析

为了对复合材料含孔层压板的压缩剩余强度进行快速、精确地评估,采用了有限元渐进损伤剩余强度分析方法。使用Tsai-Wu准则作为强度判据,使用Abaqus用户子程序USDFLD对破坏的单元进行刚度折减。单元的刚度折减采用材料性能退化的方法实现。对复合材料含孔层压板进行有限元渐进损伤分析,得到了含孔层压板的破坏过程、破坏载荷和剩余强度,以及不同角度铺层的主要破坏类型。通过对复合材料含孔层压板压缩剩余强度的有限元分析数据与试验数据对比研究发现,使用Abaqus用户子程序USDFLD的有限元渐进损伤剩余强度分析方法得到的分析结果与试验结果非常接近。试验数据和有限元分析数据验证了Abaqus用户子程序USDFLD和刚度折减方法的正确性以及渐进损伤剩余强度分析结果的精确性。     

三维五向编织复合材料强度的有限元分析

在已有三维五向编织复合材料单胞实体模型的基础上,基于等应变假设和最大应力失效准则,采用3D有限元法建立了三维五向编织复合材料的拉伸强度有限元分析模型。利用该模型计算了试件的拉伸强度,与现有实验数据进行对比,吻合较好。数值模拟表明:三维五向编织复合材料主要的拉伸失效形式为轴纱的正应力破坏,与已有文献的观测结果一致。     

黏接界面试件拉伸变形破坏过程的数字散斑相关方法分析

对黏接界面试件拉伸变形破坏过程进行了观察,通过编制数字散斑相关方法(DSCM)处理图像,提取得到试件表面随着载荷变化而变化的位移场和应变场及其演化过程.结果表明:带预制脱黏黏接界面试件在拉伸过程中,由于预制脱黏尖端附近产生应变集中将产生起裂.DSCM能较好地应用于黏接界面试件表面的变形和破坏分析中,定量测量了界面变形场,并与试验结果相吻合.     

三维全五向编织复合材料的切边效应

对切割与未切割的三维全五向(3DF5D)编织复合材料进行了纵向拉伸力学性能研究。首先分别对2种编织角下3种不同情况(未切割、沿厚度方向切边和沿宽度方向切边)的试件进行了力学性能实验,实验结果表明,沿着厚度方向切边使材料的刚度和强度分别下降了约10%和25%;沿着宽度方向切边使材料刚度和强度分别下降了约3%和18%;进一步通过有限元数值模拟对上述实验过程进行了仿真计算,得到了单胞的损伤演化过程、破坏机理以及应力-应变曲线。最后对实验结果和计算结果进行了对比,结果显示二者吻合良好。研究结果表明,三维全五向编织复合材料的编织角越大,拉伸刚度和强度会越小;试件尺寸越大,厚度方向和宽度方向切边的影响越小,并趋于定值。     

基于CDM的复合材料缺口强度三维数值仿真模型

层合板受载时在缺口尖端出现的沿纤维方向的基体开裂会使缺口钝化,降低缺口带来的应力集中影响。为了更好地模拟这一现象,建立基于CDM的三维有限元模型,提出一种可以实现层合板中每层网格不同排列的建模方法,使网格边缘与每层纤维方向一致;为了实现每层网格不同的排列,在层间建立内聚力接触模拟分层损伤;对纤维增强复合材料层合板[0/902/0]S和[0/90/±45]S进行开孔拉伸的渐进损伤分析。结果表明:该模型可以模拟不同材料体系和铺层参数的层合板在拉伸载荷作用下的渐进损伤过程,预测其破坏强度;通过已知的试验结果对模型进行验证,证明了该方法的正确性且预测精度较高。     

复合材料损伤破坏判据适用性的实验研究

 <正> 一、复合材料损伤力学和损伤应变能释放率（y₂）破坏判据 作者近年来采用复合材料损伤力学研究方法对复合材料层板进行了理论与实验研究,提出了损伤应变能释放率（y₂）破坏判据,简述如下。 基于J.P.Cordebois等人提出的能量等效性假设,并引入有效应力概念,可导出损伤变量和损伤应变能释放率的表达式。在一维加载条件下它们的表达式分别为