基于非线性渐进损伤模型的复合材料波纹梁耐撞性能研究

基于连续介质损伤力学,提出了一种包括层内和层间失效的非线性渐进损伤模型来预测复合材料波纹梁在轴向冲击下的失效行为。其中,层内损伤采用最大应力准则,并结合指数型损伤演化法则和刚度折减方法预测失效后的材料参数。层间损伤模型则采用了二次名义应力准则、基于混合模式能量的指数型损伤演化法则和黏性刚度折减方法建立。基于该模型,对典型的波纹梁结构参数和触发等对耐撞性的影响进行了研究。结果表明数值模拟结果与试验结果基本吻合,模型能够准确地模拟复合材料波纹梁在冲击过程中出现的分层、纤维和基体破坏等失效模式。波纹梁在破坏过程中吸收的能量、比吸能和载荷峰值随层数不断递增,降低高度和减小触发结构的截面面积均会降低载荷峰值。     

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。     

二维三轴编织复合材料压缩失效行为的细观有限元模拟

为研究典型二维三轴编织复合材料（2DTBC）的压缩破坏机理，建立了细观有限元模拟方法体系。提出了反映编织复合材料真实几何特性的单胞模型建模策略，根据Murakami-Ohno损伤理论建立了各向异性损伤模型来模拟纤维束中的损伤起始和扩展行为，通过引入波动系数描述了纤维束的起伏状态，并采用内聚力单元来模拟界面分层。在此基础上，分析得到了二维三轴编织复合材料在压缩载荷下的破坏过程，研究了压缩载荷下纤维束和界面层的损伤演化，探讨了纤维束波动对压缩性能的影响规律。通过与相关试验结果对比，该模型能够准确预测二维三轴编织复合材料在面内压缩载荷下的力学响应和主要失效行为，以及自由边效应。细观失效过程分析结果表明，二维三轴编织复合材料轴向压缩的破坏是由轴向纤维束的纤维压缩失效主导的；横向压缩破坏则是由偏轴纤维束的纤维压缩失效引起的。     

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。     

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%。     

复合材料机身框轴向压缩屈曲分析与研究

通过试验研究了复合材料机身框承受轴向压缩载荷下的失效模式,并与工程理论计算、有限元分析进行对比。试验研究的框构型包含"C"型框和"Z"型框,试验结果显示,复合材料机身框与蒙皮结构在承受沿框方向的轴向压缩载荷时,首先蒙皮发生局部屈曲;随着载荷的增大,框腹板和内缘也发生局部屈曲,最终导致整个框截面的破坏。对蒙皮局部屈曲采用两加载边简支、两侧边固支的层压平板屈曲工程分析方法,分析结果表明,工程理论计算与试验数据吻合良好,并且理论值具有保守性。对于框腹板及框内缘这类薄壁结构,其边界支持作用弱于简支,导致工程理论计算结果不保守。为了获得框腹板与框内缘更准确的局部屈曲结果,必须采用几何非线性有限元建模分析。     

复合材料层压板圆角区面外受载失效分析

为了研究复合材料层压板圆角区在面外载荷作用下的失效过程,基于ABAQUS有限元软件中的连续壳单元和cohesive单元建立了有限元模型,在该模型中,采用hashin准则预测面内损伤,而对于圆角区分层损伤的起始与扩展,则采用cohesive单元进行模拟。采用该模型对复合材料层压板圆角区在面外载荷作用下的破坏过程进行仿真,仿真结果与试验结果相比较表明:本文建立的有限元分析模型能较好地模拟复合材料层压板圆角区在面外载荷作用下的失效过程,并且能较好地预测该结构的承载能力。     

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。     

C/C机织复合材料开孔板强度有限元模拟

三维机织复合材料已在航空航天领域得到广泛应用,研究开孔C/C机织复合材料在拉伸和压缩状态下的损伤机理具有重要工程价值。建立开孔C/C三向正交机织复合材料试验件的镶嵌有限元模型,在孔周范围内按照材料的细观结构建立细观尺度有限元模型,采用基于细观力学的强度准则对其拉伸和压缩损伤演化过程进行模拟,并预测其极限拉伸、压缩载荷和拉伸、压缩强度。结果表明:在拉伸与压缩载荷下,由于缝线与纤维束接触区域的应力集中,使得开孔板经纱多处区域出现损伤起始,开孔板损伤区域均呈"X"形扩展。     

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。     

碳纤维-环氧树脂波纹梁吸能能力的试验研究

 用试验研究了碳纤维 -环氧树脂圆弧型波纹梁在轴向准静态载荷下的损毁过程、峰值载荷和能量吸收能力。通过 3组不同尺寸的波纹梁在轴向准静态载荷下的压缩试验,研究了波纹梁的缓冲吸能机理,并对波纹梁的峰值载荷和吸能能力做了定量分析,讨论了不同结构尺寸对波纹梁在轴向准静态载荷下的峰值载荷和吸能能力的影响。     

含低速冲击损伤层合板的压缩破坏研究

层合板低速冲击后的压缩破坏研究对于复合材料结构设计具有重要意义.按照ASTM D 7136、D 7137试验标准对CCF300/5228层合板进行低速冲击和压缩试验;基于累积损伤理论,以低速冲击数值仿真得到的损伤作为初始损伤,结合应变失效准则和材料性能退化方法,建立含低速冲击损伤层合板的压缩破坏分析模型;使用该模型研究CCF300/5228层合板的损伤演化过程和剩余压缩强度.结果表明：该模型能够较好地解释试验过程中的损伤现象,预测含冲击损伤层合板的剩余压缩强度;损伤扩展和破坏模式与试验结果一致性好.     

复合材料泡沫夹芯板胶接修理的压缩性能

针对复合材料泡沫夹芯结构在维修结构性能研究方面的缺失,在完成了复合材料泡沫夹芯板的维修与压缩性能测试之后,建立了结构有限元分析模型,结合夹芯结构的稳定性理论解析模型,并对复合材料泡沫夹芯结构的胶接修理压缩性能进行验证。结果表明:通过试验结果简化了有限元分析模型中的胶层设置;应用复合材料夹芯结构的稳定性理论解析模型,能够快速获得复合材料夹芯维修结构的侧压极限载荷上限值;复合材料泡沫夹芯修理结构的主要侧压破坏模式为面板一阶与二阶屈曲失效,该结果说明复合材料泡沫夹芯修补结构的有限元模型与解析稳定性理论模型的计算精度较高,具有较强的工程实用性。     

航空碳纤维树脂基复合材料加筋板压缩屈曲及后屈曲性能

开展了复合材料加筋板轴压稳定性实验,对加筋板的屈曲及后屈曲性能、破坏模式和后屈曲失效表征进行了研究.实验结果表明加筋板在轴压下具有良好后屈曲承载潜能,破坏载荷约为屈曲载荷的2.2倍;其屈曲模式为筋条间蒙皮首先发生屈曲失稳,筋条在整个承载过程中保持直线,起到“屈曲分隔”的作用.通过对加筋板屈曲及后屈曲性能的理论分析,得出的理论屈曲载荷和理论破坏载荷与实验结果相对误差均小于8%,并确定了在后屈曲过程中蒙皮中心挠度的变化规律和轴向载荷的面内分布特征.      

直升机主桨毂复合材料星形件疲劳研究

直11型机主桨毂星形件是典型的复合材料层合板结构,在复杂的疲劳载荷环境下,有可能出现几种不同形式破坏模式,如:分层破坏和纤维断裂,忽略任何一种可能出现的破坏模式都将可能给飞行带来安全隐患。理想的试验是有限的试验件能得到所有的破坏模式的结果。本文较完整地总结和介绍了直11型机和“海豚”的复合材料星形件疲劳试验及试验结果,较详细地分析了各种破坏模式的形成机理和挥摆载荷比对破坏模式出现率的影响,认为疲劳试验载荷的挥摆载荷比不应仅仅根据实际飞行时载荷状况,主要应根据星形件结构性能来确定。     

含MSD铝合金平板的剩余强度试验研究

针对飞机结构中日趋显著的多部位损伤(MSD)问题,进行含多部位损伤铝合金平板结构剩余强度的试验研究.试验中使用三种不同的试验件,将其在相同应力水平下预制出一定长度的多条裂纹后拉断,记录断裂时的载荷.试验结果与常用的五种评估含多裂纹结构失效准则进行计算分析和对比,了解各个准则的准确程度.最后的对比表明,五种估算剩余强度的方法中,净截面失效和裂纹尖端张开位移法误差较大,断裂力学估算方法对于有显著主裂纹的情况更适用,塑性区连通和平均应力准则预测的偏差较小.     

基于高温树脂传递模塑工艺的碳纤维/聚酰亚胺复合材料连接环制备与验证

根据连接环的结构特点,结合复合材料的力学特性及成型工艺要求设计了一种隔热/承载一体的碳纤维增强聚酰亚胺复合材料连接环,采用高温树脂传递模塑成型（RTM）整体成型工艺制备了复合材料连接环样件。超声检测结果显示,连接环内部质量良好。常温静强试验结果表明,在150%使用载荷下,连接环能保持良好的结构完整性,其最大应变仅为-491.0 με,满足常温静强度设计要求。520℃严酷热载荷下的静热联合试验结果显示,连接环在118%使用载荷下发生根部连接螺钉断裂失效,连接环本体未出现明显残余变形和损伤,满足热强度设计要求。有限元分析结果显示,常温条件下复合材料连接环的应力危险点出现在孔边,破坏方式主要为孔边的挤压破坏和层间剪切失效,高温条件下复合材料连接环失效位置主要出现在其外侧隔热层及螺栓孔处,对结构承载能力影响较小。