缝合复合材料T型接头拉伸载荷下的有限元数值模拟

利用ABAQUS软件对拉伸载荷下的缝合T型接头进行建模与分析,采用基于内聚力模型（CZM）的黏聚接触方法来模拟筋条与蒙皮的脱粘行为,以基于细观力学的非线性弹簧模拟缝线在上下界面的增强作用。在模型基础上对缝线直径进行参数化分析,研究其对T型接头拉伸性能的影响。结果表明：随缝线直径增大,接头极限破坏载荷提高,即拉伸承载能力提高。有限元分析结果与试验值吻合较好。值得注意的是,当缝线直径增大到1 500旦尼尔时,模拟结果与试验数据存在10.4%的误差,这是因为模型未考虑缝合对层合板面内性能的影响,忽略了缝线可能造成的材料损伤。考虑到T型接头在拉伸载荷作用下的破坏模式主要是I型和Ⅱ型破坏,因此宜采用二维有限元模型进行参数化分析,计算效率高并且与试验结果吻合较好。     

一种改进的复合材料T型接头失效模拟

通过自定义本构关系和破坏准则的单元，建立了复合材料T型接头有限元模型，并模拟了承受面外拉伸载荷时接头的裂纹扩展和失效过程。分析结果显示相比使用已有的粘接单元，自定义单元能够更准确的模拟接头填充区域的裂纹扩展和最终失效形式。     

Ω型加筋壁板连接结构在拉伸载荷下的破坏研究

考察机身收缩段的复合材料Ω型加筋壁板前段和后段连接结构在拉伸载荷下的承载能力,开展了拉伸破坏试验研究。试验件为壁板与框呈75°夹角的倾斜结构,试验考核了加筋壁板、连接框、连接角盒和紧固件的应变水平、试验件的载荷-位移曲线和破坏载荷。试验结果表明,Ω型加筋壁板前后段连接结构在拉伸载荷下,角盒和框的连接处的紧固件以及框的转角处最先发生破坏。试验结果可作为飞行机身复合材料结构连接的设计和评定依据。     

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.     

复合材料机身帽型长桁加筋壁板压缩屈曲及失效特性研究

大型客机机身壁板材料现已广泛采用碳纤维复合材料,研究壁板的屈曲及失效特性对提高结构设计效率具有重要的意义。采用工程分析、有限元分析和试验三种方法研究压缩载荷下复合材料机身帽型加筋壁板的屈曲载荷、失效载荷和失效模式;通过工程方法和有限元方法研究压缩载荷下壁板的屈曲形式和载荷,采用 Von Karman 法修正的柱失稳方法研究壁板在压缩载荷下的承载能力;依靠先进的机身壁板多轴载荷试验系统完成 3 m×2 m 机身壁板的压缩载荷试验、压缩充压复合载荷试验,验证并完善工程和有限元分析方法。结果表明：屈曲分析时需要对工程分析和有限元方法进行修正,失效分析时采用修正的柱失稳方法的分析结果比试验结果略保守。     

搭接长度对CFRP-Al双搭接接头应变分布和失效模式的影响

首先,采用碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）与Al制备不同搭接长度双搭接胶接试验件,利用万能试验机进行拉伸试验,获得载荷-位移曲线和胶接接头失效形貌。然后,依据试验数据,基于连续损伤力学模型和3D Hashin失效判据模拟CFRP层合板损伤与演化,使用内聚力模型模拟胶层和基体损伤,获得CFRP层间应力分布与截面应力分布曲线。最后,在此基础上分析不同搭接长度下双搭接接头载荷-位移曲线与接头破坏模式,研究CFRP内部铺层应力分布对失效形貌影响,探究不同搭接长度下双搭接接头破坏机制。结果表明：搭接长度由20 mm增加至40 mm时,胶接接头力学性能显著提高;搭接长度大于40 mm后,搭接长度对力学性能的影响逐渐减弱。拉伸载荷导致90°纤维附近基体的1和2方向应力较大,产生应力集中,接头发生剪切与剥离破坏。双搭接接头失效过程为一侧发生剪切与剥离破坏,接头转变为单搭接结构,之后瞬间发生失稳,较大的剥离力使接头另一侧发生破坏。     

铝锂合金同异质自冲铆接头静力学性能研究

以1420铝锂合金(AL1420)为载体制备其同质及其与H62铜合金(H62)、Q215镀锌钢(Q215)和TA1工业纯钛(TA1)异质单搭自冲铆接头。通过静力学试验分析各种接头的静失效载荷及能量吸收性能;就其失效模式分析推断其宏观失效机理。结果表明:TA1-AL1420接头静失效载荷最高,Q215-AL1420接头能量吸收性能最强;除TA1-AL1420接头外,其余各组接头失效位移呈现出的大小规律与能量吸收值的高低规律一致。当上下板材屈服强度相差不大时,接头的失效模式均为下板与铆钉分离;相差较大时,主要以屈服强度较低板断裂失效。     

铆钉数量及间距对自冲铆接头性能的影响北大核心CSCD

为研究铆钉数量及铆钉间距对自冲铆接头性能的影响,首先采用数值模拟和试验的方式优化了铆接参数,制备了三组不同形式接头;基于拉伸-剪切实验研究了各组接头的静力学性能及其失效形式;并运用MATLAB 2014b用户自定义开发平台精确计算出各组接头的能量吸收值。结果表明:数值模拟结果与实验具有良好的一致性;单铆钉接头失效形式为铆钉从下板完全拉出,双铆钉接头失效形式为板材断裂失效;双铆钉接头性能明显优于单铆钉接头,而铆钉间距对接头静失效载荷和能量吸收性能的影响较小。     

铆钉数量及间距对自冲铆接头性能的影响

为研究铆钉数量及铆钉间距对自冲铆接头性能的影响,首先采用数值模拟和试验的方式优化了铆接参数,制备了三组不同形式接头;基于拉伸-剪切实验研究了各组接头的静力学性能及其失效形式;并运用MATLAB 2014b用户自定义开发平台精确计算出各组接头的能量吸收值。结果表明:数值模拟结果与实验具有良好的一致性;单铆钉接头失效形式为铆钉从下板完全拉出,双铆钉接头失效形式为板材断裂失效;双铆钉接头性能明显优于单铆钉接头,而铆钉间距对接头静失效载荷和能量吸收性能的影响较小。     

复合材料接头试验件破坏过程模拟

基于通用有限元分析软件ABAQUS,分析了复合材料π形接头试验件的应力分布情况,采用最大应力准则和消层模型模拟了试验件的破坏过程,并研究了π形接头试验件R区的半径和腹板厚度因素对失效载荷的影响.     

冲击载荷作用下的锥壁失效仿真及试验验证

根据航空发动机支承锥壁结构受力特点,对风扇叶片飞失冲击载荷作用下的锥壁失效破坏机理进行了研究。利用显式动力学有限元仿真方法,对冲击载荷作用下的锥壁结构动态失效过程进行了瞬态分析。开展了对锥壁的落锤冲击试验,并与分析结果进行了对比验证。试验和分析结果表明:冲击载荷作用下锥壁减薄处破坏为剪切失效破坏。采用的显式动力学有限元仿真方法为准确模拟冲击载荷作用下的锥壁结构失效提供了一种可行的仿真手段,分析获得的峰值加速度与试验结果误差小于5%;利用GISSMO(generalized incremental stress state dependent damage model)可以准确预测锥壁减薄处断裂时间、断裂位置。经过试验验证的分析方法及失效模型可运用到风扇叶片飞失冲击载荷下的锥壁失效设计参数的确定,提高锥壁降载结构设计的精度。      

T接头初始破坏位置研究

通过试验和模拟分析研究了复合材料T接头在拉脱载荷作用下,其初始破坏可能出现的位置,并对影响其初始破坏位置的主要因素即蒙皮与突缘厚度度比和蒙皮与突缘宽度比进行分析.     

一种用于复合材料整体结构填充区的增强芯材

介绍了可添加于整体结构填充区的ZXC190、ZXC195增强芯材以及添加这种增强芯材接头试验件的制造工艺与拉伸强度试验方法,给出了试验件的拉伸初始损伤载荷和破坏载荷.试验结果表明:ZXC190、ZXC195增强芯材与单向带预浸料相比,其接头试验件沿腹板方向的拉伸强度有大幅度提高.     

复材长桁与钛合金接头超差对连接强度的影响

针对复材长桁与钛合金接头因制造缺陷无法正常连接的情况,设计了正常连接、长桁立边失效连接、长桁自由边失效连接3种连接形式的对比试验,并采用有限元分析了超差连接情况下结构的破坏模式与破坏载荷的变化规律。结果表明:3种连接形式结构的破坏模式一致,均在蒙皮预制裂纹处沿着45°纤维方向破坏;不同连接形式对连接刚度基本没有影响;长桁立边失效对连接强度影响较小,破坏载荷下降5.31%;长桁自由边失效对连接强度影响较大,破坏载荷下降22.13%。长桁自由边失效是最严重的失效情况。     

飞机V型外倾双垂尾载荷校准技术

根据垂尾载荷校准及建模需求,对飞机V型外倾双垂尾结构受载情况进行了分析和简化,确定了校准试验载荷,研制了垂尾载荷校准试验专用龙门梁架。采用液压协调加载技术,完成了外倾双垂尾载荷校准试验,建立了满足测载要求的载荷模型。此种方法充分利用了左右垂尾外倾、双垂尾之间空间较大的特点,对左右垂尾对称施加向外的单点、多点载荷,加载载荷侧向分量左右自平衡,垂向分量依靠飞机自身重量即可平衡,飞机不需要复杂的固定与约束。试验中采用先搭建龙门框架,再停放飞机的方法,降低了试验风险、加快了试验进度,取得了良好的试验结果,对其他此类结构的载荷校准具有一定的借鉴作用。     

复合材料机身C型柱准静态压溃仿真及失效模式

为了研究复合材料机身薄壁C型柱结构轴向压溃吸能特性、失效模式及C型柱多层壳单元建模方法,建立多层壳单元有限元模型,基于准静态轴向压溃实验结果进行对比验证。结果表明:C型柱多层壳单元模型能够在一定程度上模拟层间分层失效及压溃过程中的局部弯曲变形和层束弯曲失效模式;仿真与实验的载荷-位移曲线吻合性较好,压溃初始峰值载荷,比吸能以及压溃均值偏差较小;但C型柱结构压溃初始峰值载荷较大,载荷效率较低,需通过优化设计进一步降低其初始载荷峰值。     

多接头大载荷机翼加载处理方法

由于试验件缺少右外翼部分,对接接头多且复杂,试验考核载荷较大,给机翼载荷的施加带来较大难题。对三组接头设计独立的加载夹具,前中接头通过延伸加载力线间距的方式降低实际加载点载荷,依据上下接头处载荷方向相反的特点,设计不同的加载接头连接形式,保证了飞机实际对接接头的变形自由度。依靠坐标转换将后接头载荷进行调整,方便试验现场实施。该方法能够保证传递至接头上的载荷准确,避免了各接头之间的刚度匹配问题,且方便安装,满足试验要求。采用局部约束装置,有效避免了接头处有害损伤的产生,对接头起到实时保护。     

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.     

复合材料层合板单排多钉双剪联接接头强度分析

双剪联接接头是复合材料结构连接设计的主要环节。针对T300/KH304复合材料层合板的单排多钉双剪联接接头,考虑到孔间距离对接头强度的影响,用三维有限元模型对接头的静强度进行数值分析。以应力分析为基础,采用Yamada-Sun准则预测了该层合板结构双剪联接接头的破坏载荷。试验结果表明,该接头的破坏模式主要呈现为挤压破坏,并伴随有净拉伸和剪切破坏模式;接头的位移——载荷曲线近似为直线;Yamada-Sun准则可以较好地预测该结构的破坏载荷;所预测的接头的破坏载荷及破坏模式,试验结果与数值分析结果比较一致。     

铝合金-胶膜压印/粘接复合连接工艺及接头失效分析

以热熔胶膜作为粘接剂，开展压印/粘接复合连接工艺试验研究，基于Box-Behnken设计（BBD）方法，建立因素（冲压力、胶膜厚度、板材硬度）与响应值（能量吸收值、失效载荷）之间的多元回归方程，辨析因素与响应值之间的内在联系，结合接头机械内锁结构的有限元模型，分析接头断裂失效模式。结果表明：多元回归模型具备较高的显著性且拟合程度高，能量吸收值、失效载荷的试验值与预测值的最大误差分别为7.9%、11.42%，验证了模型的可靠性。冲压力与能量吸收值和失效载荷均呈正相关性，胶膜厚度对能量吸收值和失效载荷的影响均呈先减小后增大的趋势；胶膜的加入对接头的力学性能有较明显的提升；当接头受拉时，接头发生以拉脱失效和混合失效（拉脱和颈部断裂同时发生）为主的失效模式，有限元分析与试验吻合较好。