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。     

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。     

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。     

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%.      

含孔复合材料层合板温度环境下的拉伸性能

根据增量形式的虚功原理和单层板理论,推导了基于温度环境下复合材料层合板的应力分析公式,结合逐渐损伤分析理论,建立了考虑温度影响的复合材料层合板的逐渐损伤强度分析方法.在此基础上,对含孔复合材料层合板在22,80,120℃下的拉伸失效过程进行预测,与80℃和120℃下的试验结果相比,预测强度值的最大误差为-2.28%.研究表明:随着温度的升高,含孔复合材料层合板的初始纤维损伤强度和破坏强度逐渐降低,而其初始基体损伤强度逐渐增大.      

一种交织铺层结构层合板性能

结合复合材料自动纤维铺放(AFP)技术,提出了一种交织铺层结构层合板成型方法,制备了非交织、交织正交层合板、非交织、两向交织和四向交织准各向同性层合板复合材料,并对交织铺层结构复合材料的层间结构和性能进行了分析研究。结果表明:交织正交层合板的拉伸、压缩、弯曲性能较非交织板性能均有所下降,但其层间剪切性能有明显提高,提高幅度约为16%;随着交织铺层组厚度的增加,交织层合板的拉伸性能呈下降趋势;交织层合板的开孔后拉伸、开孔后压缩和冲击后压缩强度保持率均高于非交织板,且冲击后分层损伤面积明显低于非交织板。交织铺层结构层合板相对于普通非交织层合板具有更好的损伤容限能力。     

含孔复合材料层板疲劳损伤扩展的实验研究

 本文对一种多向对称铺层的T300/914C碳-环氧复合材料含孔层合板,在拉-压疲劳加载下的损伤扩展进行了实验研究。通过研究层板刚度的变化、试样破坏前的应力-应变特性和损伤的分布,分析了试样破坏机理,阐明了损伤扩展的特征,并对一些实验条件下的分层增长给出了经验的表征。     

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.      

含孔复合材料层合板孔边应力集中的近似计算

针对含圆孔有限大复合材料层板的应力集中间题,提出一种计算孔边应力分布及应力集中系数的方法:先利用经典层板理论,将复合材料层合板化归为各向异性板;再将各向异性板等效转换为一偏轴拉伸的单向纤维层板;最后利用含圆孔偏轴单向板的孔边应力计算公式来分析一般铺层层合板孔边应力集中情况.根据所推导的含孔有限宽度复合材料层合板应力集中系数的表达式,分析讨论了板宽/孔径比、铺层比例、铺层方式、材料性能参数等因素对孔边应力集中的影响.     

含分层损伤国产碳纤维CCF300与T300碳纤维复合材料层合板压缩失效模式

对含单个分层损伤国产碳纤维CCF300与T300碳纤维复合材料层合板进行压缩试验,通过对同种中等厚度含不同分层大小、不同分层位置的层合板压缩失效后的宏微形貌及超声波C扫描检测结果的分析,研究了分层大小及分层位置对于国产碳纤维及T300纤维复合材料层合板失效模式造成的影响,比较了两种纤维复合材料失效模式的异同.结果表明,预制分层在压缩过程中都发生了扩展,而分层位置是影响其压缩失效模式较为重要的因素.对于分层位置较深的层合板,其失效模式往往为首先发生分层扩展,进而子层板剪切屈曲失效.总的分析表明,国产碳纤维复合材料与T300纤维复合材料含分层损伤层合板的压缩失效模式基本相同.      

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。     

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%.     

带孔复合材料板和螺栓连接复合材料板的有限元计算分析

主要对带孔复合材料板和螺栓连接复合材料板的三维应力进行计算分析。通过计算分析发现 ,带孔复合材料板在受单向拉伸时 ,在相同载荷 (面应力 )作用下 ,复合材料板的厚度对板的强度影响不大 ,随着厚度的增加 ,板上最大应力值变化不大 ;对于带孔板而言 ,孔的形状对孔周边应力集中程度影响比较大 ,孔为椭圆孔 ,并且长轴方向与载荷方向平行时 ,孔边应力集中程度比较小 ;而当椭圆的短轴与载荷方向平行时 ,应力集中程度最大 ;孔为圆孔时 ,应力集中程度介于上面两种形状之间。对于多孔复合材料板计算发现 ,多孔板在受拉作用下 ,各个孔周围应力分布与孔的位置有关 ,在距离板边沿越近的孔 ,其周围最大等效应力值越大 ;对螺栓连接板而言 ,螺栓的材料参数对板的应力分布影响不大 ,板上最大应力都位于孔的右端稍偏下位置 ;螺栓连接复合材料板在相同的载荷作用下 ,板上最大等效应力值随螺栓的弹性模量的增大也相应增大     

复合材料层合板的振动模态试验研究

采用逐点激励单点测试（SISO）的方法,在自由状态和一端固支状态下对无损伤和含开孔损伤的复合材料层合板进行了模态试验和模态识别.根据测量得到的试验件的频率、阻尼和振型等模态参数,分析了层合板在不同边界条件下开孔损伤位置和开孔损伤大小对层合板的振动特性的影响.结果表明：复合材料层合板具有优越的阻尼特性;试验获得的振动特性与相关文献中的结果一致;开孔损伤位置和开孔损伤大小对层合板的振动特性有明显影响.     

Bolt insertion damage and mechanical behaviors investigation of CFRP/CFRP interference fit bolted joints

Interference fit has advantages in improving fatigue behaviors of composite bolted joints; however, interference fit bolt insertion tends to cause damages in laminates weakening joint mechanical properties. Therefore, an experimental study was conducted to investigate bolt insertion damages of Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP)/CFRP interference fit bolted joints. Mechanical behaviors of joints were also evaluated experimentally under both quasi-static loads and cyclic loads. Scanning Electron Microscope (SEM) and high-resolution X-ray micro-CT scan were used to examine micro damages in laminates. Damage and failure behaviors of joints were characterized. The results demonstrated that the hole entrance in upper laminate and the laminate boundary near the hole wall were the most critical regions for damages during bolt insertions. However, the influence of those damages on quasi-static failure loads and fatigue failure modes of joints was minimal. Delamination and matrix cracking occurred first in laminates following fiber and matrix fracture in quasi-static tensile tests. Interference fit could improve the fatigue resistance of the laminate hole; however, the bolt seemed to suffer a more critical local fatigue loading condition. This paper can contribute to composite structure designs, especially in understanding damage and failure behaviors of composite bolted joints.     

基于渐进损伤有限元的复材厚板连接分析

针对复合材料厚板连接件,建立三维累积损伤有限元模型预测复合材料厚板连接件的挤压性能。对复合材料层板中的纤维失效、基体失效和分层等损伤类型进行分析模拟,预测厚板连接件的破坏模式及损伤扩展过程,并分析尺寸参数与复材厚层合板连接强度的关系。