Z-pin增强复合材料层合板拉伸性能的试验研究及模拟分析

针对Z-pin增强复合材料层合板的拉伸性能进行了试验研究及模拟分析.拉伸试验研究了3种铺层方式的层合板:[0]6;[90]12;[45/0/-45/90]2S.模拟分析将根据引入Z-pin造成的复合材料层合板微观结构变化建立单胞模型来进行,通过调整单元材料坐标系的1方向来模拟Z-pin周边纤维偏转.通过试验研究和模拟分析得出了Z-pin对3种层合板拉伸强度的影响程度.研究表明Z-pin引入造成的面内纤维含量降低(由树脂富裕区引起)和纤维方向偏转(包括纤维面内偏转和厚度方向卷曲)是层合板拉伸性能降低的主要原因.通过模拟分析进一步得出:对于[0]6铺层层合板,Z-pin插入引起的纤维面内偏转是面内拉伸强度降低的主要因素;对于准各向同性层合板,Z-pin插入产生的树脂富裕区(降低了纤维含量)是面内拉伸强度降低的主要因素.     

基于CDM的开口复合材料层合板结构损伤问题研究

为研究含开口复合材料层合板结构在面内载荷作用下的损伤破坏问题,基于CDM基本原理,从平面应力状态下的Gibbs自由能出发,建立描述复合材料层合板结构层内断裂破坏的二维渐进损伤关系;基于ABAQUS材料用户子程序,将上述渐进损伤关系与二维Hashin失效准则相结合,开发复合材料损伤本构模型,并对含开口复合材料层合板结构在拉伸载荷作用下的破坏过程进行数值模拟;通过与文献试验数据的对比,证明该模型在平面拉伸载荷状态下可以有效预测含开口层合板结构的损伤起始与扩展过程,对层合板强度的预测误差较小。应用上述模型对三种不同开口类型层合板结构在剪切载荷作用的下损伤、破坏分析,结果表明：对于相同面积的开口,不同的开口类型会导致层合板抗剪强度产生较大的差异;而在铺层相同情况下,椭圆形开口层合板的剪切强度相对较高。     

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。     

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。     

两种典型铺层玻璃纤维复合材料的拉伸力学行为

利用电子万能实验机及分离式Hopkinson拉杆对玻璃纤维增强复合材料S4C9-1200/SY14的两种不同铺层角度层合板([0]16和[±45]4S)进行了应变率为10-3～103s-1下的单轴拉伸力学性能测试。从应力应变曲线和试样破坏断口分析了材料的应变率效应、纤维损伤和界面脱粘损伤。实验结果表明:[0]16层板破坏时表现出典型的不规则脆性破坏,纤维的损伤具有初始门槛值,而纤维的强化存在应变率门槛效应。[±45]4S层板主要破坏方式是纤维与基体的脱粘,损伤发展近似线性。应变率高于强化门槛时,[±45]4S层板表现出极强的应变率依赖性,极限强度能提高10%～50%。     

复合材料层合板结构冲击损伤数值模拟的损伤力学模型

针对复合材料结构低速冲击损伤问题,基于连续损伤力学提出了一种动力学冲击条件下的三维损伤数值模型。模型中区分了层内损伤（纤维拉伸与压缩失效、纤维间拉伸与压缩失效）和层间分层损伤不同的失效模式。采用三维Puck失效准则与考虑压缩抑制效应的Aymerich准则对上述两类损伤进行判定,材料失效后基于连续损伤力学中线性软化模型对材料损伤进行演化。模型中考虑了复合材料层合板结构中子层的就位效应和损伤分析中的“连锁效应”。通过对Shi的冲击试验进行数值模拟,模型预测的冲击接触载荷、分层形状和尺寸与试验结果吻合较好,证明了所提出的数值模型对复合材料层合板结构低速冲击损伤预测的有效性。     

基于刚度降模型的复合材料层合板疲劳寿命估算

基于有限元方法,把层合板的疲劳失效看作是单元刚度退化、应力重新分布和单元损伤不断累积的动态过程,提出了一种复合材料层合板疲劳寿命估算方法。利用MSC．Patran／Nastran建立了层合板有限元模型,进行了[0/90]4S和[-60／0／60]3S两种铺层方式的数值分析,静强度和疲劳寿命预测值与文献中的试验结果吻合较好。     

基于渐进损伤的纤维全缠绕铝内胆气瓶自紧工艺

采用渐进损伤的分析方法对纤维全缠绕铝内胆气瓶的力学行为进行分析。基于三维Hashin失效准则,自定义刚度折减方案,编译VUMAT子程序,实现了复合材料层合板损伤的产生和演化过程的模拟。依据经典网格理论并结合实际情况,建立气瓶有限元模型。分析了复合材料层渐进损伤发展和累积的过程,验证了自紧工艺对提高气瓶承载力的必要性,提出了合理的自紧力范围。研究结果表明,损伤发生的顺序或可能性:基体拉伸拉伸分层纤维拉伸/基体压缩,且损伤大都从螺旋缠绕层开始。除基体拉伸损伤由封头向筒体发展,由复合材料外层向内层发展,其余损伤大都从筒体中部向两端发展,由内层向外层发展。当自紧力为最大工作压力的1.5~1.65倍时,气瓶的应力分配得到改善,承载能力得到提高。从减少复合材料的损伤和最大程度降低内衬应力的角度,最优自紧力应为最大工作压力的1.5倍。     

基于桥联模型预测层合板分层萌生载荷

层合板本质上由基体树脂将单层板粘在一起,其分层萌生必然从基体树脂破坏开始。基于此,通过分析基体树脂的破坏来预测层合板的分层萌生载荷,通过有限元计算出轴向拉伸载荷下层合板的应力场,沿厚度方向平均来消除自由边缘处层间应力的奇异性,之后根据桥联模型计算纤维和基体树脂应力,并用Mohr判据来判断基体树脂是否破坏。预测了T800/914层合板[±θn]s的分层萌生载荷,与实验结果吻合良好;本工作的最大优点是只需组分材料的性能即可预测层合板的分层萌生载荷。     

一种层压复合材料组合界面单元及有限元模型

 为了高效模拟计算复合材料层合板的层间损伤,提出了一种由刚性元和零厚度的内聚力单元组合而成的新型组合界面单元,并提出了以弯曲板单元作为子层单元,与上述界面单元结合构成的层合板三维有限元模型,通过界面单元刚度的连续衰减模拟分层损伤累积过程。有限厚度的八结点组合界面单元每个结点有5个自由度,能考虑子层结点平动和转动对层间损伤的作用。通过对双悬臂梁(DCB)和末端缺口弯曲(ENF)试验的计算模拟表明,新型组合界面单元和有限元模型能很好地模拟复合材料层合板的分层损伤过程,对不同的网格划分有很好的适应性。     

含孔层合板考虑边界效应的拉伸强度分析

1.引言 早在1974年和1975年Whitney与Nuismer就提出了预测含孔层合板拉伸强度的点应力准则和平均应力准则,他们假定的某一特征长度是与材料性能有关系。1977年Karlak只就准各向同性碳/环氧层合板的两种铺层顺序在特征长度中引进了考虑铺层顺序影响的     

T700复合材料层合板拉-拉疲劳性能

对T700/9368光滑板及两种孔径的含孔层合板进行了拉-拉疲劳试验,测量试件刚度随加载周期的衰减规律,并利用超声波C扫描和破坏断口分析方法,对T700复合材料的疲劳损伤机理进行分析。根据弹性模量法建立了层合板疲劳累积损伤模型,并从平均应力准则概念出发,建立了含孔层合板的疲劳累积损伤模型。将试验数据运用最小二乘法拟合后代入疲劳损伤模型,得到T700/9368光滑板及含孔板疲劳寿命的具体计算公式,应用公式预测了在不同应力水平下的层合板疲劳寿命,与试验结果的吻合良好。     

2.5D C/SiC复合材料带孔板拉伸破坏的多尺度模拟

为了研究2.5D编织陶瓷基复合材料带孔板的拉伸破坏行为,提出一种可以模拟带孔板细观破坏过程的多尺度计算方法。该方法根据2.5D编织陶瓷基复合材料的细观结构建立细观模型,通过子模型法将平板的宏观有限元模型和孔周围区域的细观有限元模型耦合在一起,然后采用渐进损伤计算方法完成带孔板破坏的多尺度模拟。计算结果表明,带孔板在拉伸载荷较低时出现初始损伤,随着载荷的加大经纱发生轴向拉伸破坏,纬纱发生横向的破坏。裂纹从孔边沿横向扩展至板的两端,最终整个板完全断裂失效。失效时的应变为0.375%,最大加载应力为221.7MPa。     

含孔复合材料圆柱壳冲击破坏试验与有限元分析

 为了揭示轴向压缩载荷与径向冲击载荷共同作用下复合材料壳体开孔处裂纹的产生机理,开展了含圆孔复合材料圆柱壳冲击试验,并对冲击试验进行了有限元仿真分析。提出复杂冲击载荷作用下的动态响应分析方法,运用LS-DYNA对冲击载荷作用下含圆孔复合材料圆柱壳动态响应过程进行了模拟,采用含刚度退化的Chang-Chang失效准则预测复合材料圆柱壳破坏过程,得到的冲击加速度响应曲线及破坏区域与试验结果一致,验证了本文方法的正确性。对有限元模型进行动力学及静力学破坏分析,结果表明,径向冲击引起的环向拉应力是圆孔边缘破坏区域90°铺层纤维断裂与基体开裂的主要原因,而拉应力只引起0°铺层基体开裂。由破坏起始分析可知,将复合材料圆柱壳90°铺层含量由20%提高至50%,可使结构承载能力增加56%。     

Multiaxial fatigue life prediction of composite materials

In order to analyze the stress and strain fields in the fibers and the matrix in composite materials,a fiber-scale unit cell model is established and the corresponding periodical boundary conditions are introduced.Assuming matrix cracking as the failure mode of composite materials,an energy-based fatigue damage parameter and a multiaxial fatigue life prediction method are established.This method only needs the material properties of the fibers and the matrix to be known.After the relationship between the fatigue damage parameter and the fatigue life under any arbitrary test condition is established,the multiaxial fatigue life under any other load condition can be predicted.The proposed method has been verified using two different kinds of load forms.One is unidirectional laminates subjected to cyclic off-axis loading,and the other is filament wound composites subjected to cyclic tension-torsion loading.The fatigue lives predicted using the proposed model are in good agreements with the experimental results for both kinds of load forms.     

缝合复合材料可用性——含孔层合板的疲劳性能

 对含孔缝合复合材料层合板的疲劳性能进行了试验研究,考察了缝合及其方向对复合材料孔板拉伸疲劳损伤扩展规律的影响。通过有限元法分析了有、无缝合复合材料含孔板的应力分布状态,对缝合复合材料孔板的拉伸疲劳损伤及其扩展机理进行了分析。研究表明,缝合改变了复合材料含孔板的拉伸疲劳损伤起始与扩展的机理,缝合方向对含孔层合板的拉伸疲劳损伤的发生与扩展有比较明显的影响。层间剪切应力对45°缝合孔板内的损伤发生与扩展起着重要作用,而且45°缝合孔板可能会出现孔边损伤以外的其他主要损伤区。     

纤维复合材料的形变功密度断裂准则

通过单边缺口、中心裂纹和中心圆孔碳/环氧和玻璃/环氧复合材料层合板试样的试验证实,在考虑了材料的各向异性后,把各向同性材料的J积分分析结果用于确定复合材料层合板的断裂过程区特征长度d₀是适宜的。 根据碳/环氧复合材料层合板的有限元分析结果和试验观察,提出了一个新的断裂准则 σ_y（d0,0）ε_y（d0,0）=ασ_Fε_F 称为形变功密度断裂准则。这个准则已得到试验验证。使用本文方法可以得出不随试样几何形状和应力分布而变化的特征长度。     

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