形状记忆合金薄板低速冲击载荷下热力耦合行为分析

进行形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)薄板不同冲击能量条件下低速冲击实验,以SMA热力学本构模型为理论基础,通过数值手段对超弹性SMA薄板的冲击响应进行仿真分析,探究冲击载荷作用下SMA热力耦合行为特征。结果表明:数值仿真结果与实验数据吻合良好,有效表征了SMA薄板冲击过程中的变形、相变、耗散、温变等热力耦合行为特征。     

复合材料低速冲击永久凹坑深度预测方法

基于赫兹接触定律,建立了复合材料层板低速冲击模型,在此基础上提出了复合材料层板冲击后永久凹坑的理论计算方法。通过对T700/5428和T300/5428两种材料层板低速冲击永久凹坑计算结果与试验结果的对比,证实了这种方法在较小冲击损伤情况下的可行性与有效性。通过这种方法,可以为复合材料冲击性能的预测提供一种参考。     

混杂纤维复合材料层板的抗弹冲击性能

为了考察混杂纤维复合材料层板的抗弹冲击性能,采用碳纤维织物或玻璃纤维织物与芳纶纤维织物复合材料层共固化的方式,利用热压罐成型工艺制备了几种具有不同面密度及铺层结构的混杂纤维复合材料层板,并进行抗弹冲击性能测试、表观形貌观察和无损检测分析。结果表明:纯芳纶纤维及混杂纤维复合材料层板的钢弹冲击破坏模式相同,均为表层剪切破坏,中间层分层破坏,背层拉伸断裂破坏;层间混杂顺序对复合材料层板的分层缺陷面积有较大影响,当碳纤维层作为背层时,层板的分层缺陷面积为12 863. 6 mm2小于玻璃纤维层作为背层时(17 400. 5 mm2);当芳纶层作为背板时,混杂纤维复合材料层板冲击后分层缺陷面积与纯芳纶的相当(14 151. 0～14 927. 0 mm2)。混杂纤维复合材料对层板的抗弹冲击性能有较大影响,混杂后复合材料的弹道极限速度(v50)均有一定程度的提高,其中玻璃纤维/芳纶复合材料的v50从纯芳纶复合材料层板的193. 08提高至204. 33 m/s。将碳纤维层或玻璃纤维层作为着弹面层的混杂纤维复合材料层板具有更优异的抗弹冲击性能,其贯穿比吸能(BPI)均优于纯芳纶复合材料层板。     

低速冲击下FMLs、铝板和复合材料的损伤对比

为提高飞机结构的损伤容限和抗冲击性能,欧洲成功研制了多种纤维金属层板(FMLs),并在具体机型结构上成功应用。对由玻璃纤维和2024-T3铝合金交替层压而成的FMLs进行落锤低速冲击试验,并与2024-T3铝合金板和准各向同性F300复合材料板进行了对比分析。FMLs完全穿透所需要的能量比2024-T3铝合金板和复合材料板分别高出约40%和6倍;在相同能量下,FMLs的背面裂纹长度比铝合金板短30%~50%。使用有限元法对FMLs动态冲击损伤过程进行了数值模拟,其中铝层采用延性损伤理论,纤维层采用Hashin失效准则,分析了层合板的动态冲击响应,总结了其损伤规律。数值结果与试验结果符合较好。     

斜纹机织热塑性复合材料低速冲击损伤及多尺度数值模拟研究

机织复合材料在服役过程中不可避免地遭受低速冲击而引起内部损伤,导致材料性能减退。本文以斜纹机织热塑性复合材料为研究对象,通过实验与模拟相结合的方法研究其在低速冲击下的损伤行为。构建了微观、介观和宏观串行的多尺度模型对斜纹机织热塑性复合材料低速冲击损伤行为进行预测,并在5和10 J的冲击能量下,对其进行低速冲击试验以验证该多尺度模型的正确性。结果表明,微观、介观和宏观串行的多尺度模型能够准确地预测出斜纹机织热塑性复合材料的冲击损伤特性;在较大的冲击能量下,材料正面和背面均出现了损伤,且损伤以纤维断裂为主;低速冲击数值模拟所预测的力响应曲线与试验结果表现出良好的一致性,数值模拟损伤面积的误差在10%以内。     

Large Amplitude Flexural Vibration of the Orthotropic Composite Plate Embedded with Shape Memory Alloy Fibers

研究了形状记忆合金(SMA)纤维混杂复合材料大挠度层合板的非线性自由与受迫振动特性。基于描述SMA力学行为的Brinson理论以及层合板材料性能预测的混合率,建立了SMA纤维混杂复合材料大挠度层合板的本构方程,基于对称层合各向异性弹性板的非线性理论,建立了以横向挠度和应力函数表示的板的横向振动方程和相容方程。采用Galerkin近似解法将振动方程化为时间变量的含有3次非线性项的Duffing型常微分方程,采用谐波平衡法(HBM)获得系统的固有频率方程和强迫振动稳态频率响应方程。数值计算表明,非线性板自由振动频率比与激励温度的关系具有与线性板相同的特征,马氏体相向奥氏体相转变阶段温度对板的振动频响特性曲线的影响最显著,同时也讨论了SMA纤维含量、板的纵横比以及自由振动幅值对板的非线性频率比的影响。     

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。     

复合材料泡沫夹芯结构低速冲击损伤研究

随着复合材料夹芯结构在航空领域的广泛应用,对其抗冲击性能的研究变得越来越重要。本文对泡沫夹芯结构的低速冲击问题采用试验及数值分析的手段进行研究,比较了不同冲击能量下泡沫夹芯结构的冲击响应特点,并利用数值分析手段揭示了冲击损伤的破坏机理,同时计算得到了该夹芯结构的临界冲击能量,模拟结果与试验吻合较好,可为工程设计提供一定...     

平纹芳纶织物/环氧树脂复合材料抗冲击性能研究

采用试验和数值的方法对30层芳纶织物复合材料的抗冲击性能进行了研究。首先对30层芳纶织物复合材料进行了子弹打靶冲击试验,得到芳纶复合材料在子弹冲击下的鼓包、穿透、纤维断裂等信息;其次,建立复合材料冲击有限元模型,并基于Hashin断裂准则模拟了织物在冲击载荷作用下的失效和断裂行为,采用Cohesive单元模拟材料的变形和层间开裂失效,得到了材料在冲击作用下的位移场、应变场、界面分层、纤维断裂以及子弹的冲击速度变化等信息。最后,对试验测量和有限元分析结果进行对比,分析了复合材料在冲击载荷作用下的能量吸收、能量耗散等抗冲击性能,为材料的工程应用提供参考。     

GLARE加筋壁板弹头冲击数值仿真分析

采用ESI公司的PAM-CRASH软件进行GLARE材料加筋壁板的弹头冲击损伤数值仿真分析.运用CDM模型,最大应变准则,JOHNSON-COOK本构模型建立了合理的纤维金属层板分析模型,利用国外试验数据对模型进行验证,在结果可靠的前提下分析了GLARE材料加筋壁板不同位置抗冲击性能的差异,计算结果表明,蒙皮背面的损伤要大于正面,且越靠近筋条的位置,结构件的抗冲击性能越好.     

Modeling bending behavior of shape memory alloy wire-reinforced composites: Semi-analytical model and finite element analysis

In this study, we propose a novel and simple exact semi-analytical model for superelastic Shape Memory Alloy (SMA) wire reinforced composites subjected to bending loads. In order to study the mechanical response of the composite during loading/unloading, a Representative Volume Element (RVE) is extracted to examine the bending response of the composite. Analytical moment–curvature, and shear force-shear strain relations are derived based on a 3-Dimensional (3D) thermomechanical SMA model and Timoshenko beam theory. The composite Simpson’s rule is adopted to numerically solve the exact analytical moment–curvature and shear force-shear strain relationships. Results including the moment–curvature response, axial stress distribution along the vertical and longitudinal directions, martensite volume fraction, and the tip deflection are reported and validated against 3D finite element simulations. The influence of temperature, martensite volume fraction distribution, and matrix stiffness on the mechanical performance of the composite is also investigated. In particular, the composite is found to behave superelastically under certain conditions of temperature, SMA volume fraction, and elastic stiffness of the matrix. Such behavior is advantageous in applications requiring large recoverable strains or high energy dissipation density.     

X-cor夹层结构低速冲击实验和数值模拟研究

X-cor泡沫夹层结构是一种通过Z-pin技术增强泡沫夹芯的新型高性能夹层结构。在低速冲击下,X-cor夹层结构损伤失效机制复杂,通过在不同能量阶段对X-cor夹层结构失效行为进行分析,讨论Z-pin植入体积分数和泡沫芯材密度对失效行为的影响。低速冲击试样规格为Z-pin直径0.5 mm、植入角度为22°,分别改变泡沫类型和Zpin植入体积分数进行实验,结果表明:6 J冲击能量下,冲击能量主要由面板分层承担,相对于未植入Z-pin试样,随着Z-pin植入体积分数的升高,面板分层面积最多减少了45.1%,而泡沫密度对分层面积影响不大;12 J冲击能量下,部分Z-pin发生失效,通过剩余压缩强度比发现,随着Z-pin植入体积分数的增加,剩余压缩强度比先增大后减小,植入体积分数为0.42%时最高,而此时泡沫密度增加,剩余压缩强度比也随之增加;当能量到达18 J时,芯材开始出现剪切裂纹,同时吸收大部分能量,较弱的芯材剩余压缩强度比大,而Z-pin植入体积分数越大,剩余压缩强度比反而越小。采用数值模拟的方法建立低速冲击模型,并将冲击后的结果直接传递应用于剩余压缩强度模型中,得到的结果比实验值偏高25%~29%。     

航空发动机复合材料机匣弹道冲击特性

为获得复合材料作为风扇包容机匣时遭受叶片冲击载荷时的动态响应、损伤与失效模式,在空气炮装置上使用叶片形弹体对Kevlar织物层合板开展了弹道冲击试验,结果发现:复合材料靶板厚度提高25%,复合材料靶板吸收的能量提高约92%;随着叶片弹体速度的增加,复合材料靶板的损伤破坏逐渐严重,从轻微的压痕,转变为横向和纵向裂纹与分层损伤,再转变为矩形穿孔,同时靶板背面出现纤维断裂、纤维拔出与分层失效等现象;在叶片弹体撞击下,靶板上在与弹体接触的局部区域形成鼓胀变形,并在弹体击穿或反弹后发生变形回复;叶片弹体的横滚角将导致叶片的作用范围增大,使得靶板抗冲击性能有所提高。      

纤维位置随机引起的复合材料性能分散性研究

采用Monte-Carlo方法分别用均匀分布和正态分布模拟复合材料纤维中心位置的随机变化,得到材料截面图像。然后用像素对材料截面图进行网格划分,作为通用单胞模型的输入,计算出复合材料性能的子样。最后用数理统计的方法处理数据得到材料性能的统计特性数据。分析结果表明:本文采用的模拟方法是合理有效的。由纤维位置变化引起的材料分散性随纤维体积比的变化先增大然后减小。三参数威布尔分布和正态分布较好地描述了各个弹性参数的分布。      

基于有限元法的平纹编织C/SiC复合材料等效导热系数预测方法

提出了一种采用有限元法计算平纹编织C/SiC复合材料等效导热系数的方法.首先研究了材料的细观结构,根据材料显微照片建立了带基体碳纤维束复合材料的单胞模型,采用基体中孔隙分布随机生成的单胞模型,计算了孔隙率对基体等效导热系数的影响,通过施加3组边界条件计算出带基体碳纤维束和复合材料的等效导热系数.最后应用提出的方法计算分析了碳纤维体积分数和孔隙率对复合材料等效导热系数的影响规律.结果显示:复合材料等效导热系数随碳纤维体积分数增大而线性下降,碳纤维体积分数从54%增加到78%的过程中,复合材料y轴方向的等效导热系数下降了12.8%,x与z轴方向的等效导热系数同时下降了8.6%;复合材料等效导热系数随孔隙率增大呈加速下降趋势,孔隙率从0增加到30%的过程中,材料的x与z轴方向的等效导热系数下降了22.91%,y轴方向的等效导热系数下降了34.66%.     

CFRP铣削有限元模型建立及切削力仿真分析

为探索碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)铣削加工过程中切削力与工艺参数之间的映射关系,建立CFRP铣削加工有限元仿真模型并对切削力进行分析。基于ABAQUS软件通过定义材料属性、材料失效模型、纤维铺层数和纤维方向建立了CFRP铣削加工二维有限元仿真模型,并对该模型进行了实验验证。基于该模型,分析了切削力与纤维方向角、铣削速度、每齿进给量和刀具前角等工艺参数之间的映射关系。仿真结果表明:纤维方向角从0°增大到90°,切削力呈现降低趋势,而纤维方向角从90°增大到180°,切削力呈现增大趋势。随着切削速度和每齿进给量的增大,切削力随之增大,而随着刀具前角增大,切削力随之减小。     

一种形状记忆合金的本构模型及其应用

建立一种本构模型 ,用于研究形状记忆合金 (SMA)结构和复合材料的力学响应。首先 ,该本构模型在单轴应力状态和多轴应力状态下 ,得到考核 ;其次 ,给出了移植到ABAQUS的用户子程序umat的求解格式。利用有限元方法分析了SMA的CT (紧凑拉伸 )和TPB(三点弯曲 )试样 ,以及SMA -纤维增强复合材料和金属合金增强SMA基复合材料的力学响应。在CT和TPB裂纹前端 ,有不同的相变规律 ,SMA复合材料的相变取决于应力状态和两相材料的材料性质等     

Introduction of fretting-contact-induced crack closure: Numerical simulation of crack initiation and growth path in disk/blade attachment

Fretting fatigue crack initiation and growth in titanium alloy dovetail assembly was investigated by the Finite Element Method(FEM). Firstly, contact stress was calculated precisely with an elastic–plastic material model. Secondly, the location and angle of crack initiation were determined by the parameter of the maximum shear stress range on the critical plane, and the angle of crack growth was predicted by the Maximum Tangential Stress(MTS) criterion, which showed agreement with experimental observation. Finally, the fretting-contact-induced crack closure behavior was simulated by the node release technique in software ABAQUS with both elastic and elastic–plastic material models. The simulation shows that the variation of the contact status between fretting surfaces will result in crack closure even for the elastic material model. The fretting crack closure ratio decreases as the crack grows out of the contact area and it has great impact on the effective range of Stress Intensity Factor(SIF) as well as the crack growth rate.     

复合材料冲击损伤数值仿真模型评估

本文对低速冲击下复合材料结构损伤的数值仿真模型进行了分类和评估。低速冲击模型由冲击过程模型和材料损伤演化模型两类子模型组合而成,列出了每类模型的关键要素及其处理方法,对常用的组合进行了整理与评述,并列出了文献中出现频率较高的6种仿真模型。完成了6种模型的两个算例的数值评估,评估结果表明：对于正交层合板算例6个模型均可较准确地预测损伤形状和面积；对于角铺设层合板算例,采用Puck准则、考虑剪切非线性、基于能量释放率的模型得到的分层损伤形貌更接近于试验结果。     

复合材料加筋板冲击后损伤容限研究

研究复合材料加筋板受冲击后的损伤演化具有较高的工程应用价值。首先,以某型无人机拟应用的复合材料加筋壁板(T300/BA9913)为研究对象,对其进行低速冲击试验;在壁板中央处和肋与壁板胶结处进行冲击,其冲击能量取6.67 J/mm,测量凹坑深度和分层损伤面积。然后,应用商业软件ABAQUS,编写相应的VUMAT子程序对冲击损伤进行模拟,软件中采用适宜的材料模型、单元种类并建立不同属性的接触,把基于应变的三维Hashin准则运用于复合材料单层板的损伤失效准则中去。最后,运用基于断裂韧度的连续的刚度退化方针对材料的刚度折减。将所建立的冲击模型的模拟结果与冲击试验数据进行对比,证明了冲击模型的有效性和准确性。