自紧工艺对CFRP气瓶应力水平的影响

文摘利用ABAQUS有限元软件,对铝内胆结构的CFRP气瓶进行了分析,根据其结构建立了模型,采用二维Hashin失效准则对纤维缠绕层进行了渐进失效分析,包含了4种失效模式,纤维及基体的拉伸和压缩失效。研究了不同失效模式的萌生和分布规律。对自紧原理对气瓶的影响进行了研究。分析得出只有当气瓶承载压力大于自紧工艺压力时,内衬PEEQ值才会在自紧工艺后继续发生累积,气瓶自紧力开始失效。     

缠绕复合材料壳体爆破压强的预测

针对缠绕复合材料壳体在内压作用下的破坏问题，基于连续损伤介质力学方法，建立了一种缠绕复合材料渐进损伤破坏分析模型。模型中考虑了纤维破坏、基体损伤和纤维/基体开裂3种破坏模式，并针对缠绕复合材料面内剪切非线性的实际，建立了面内剪切非线性模型。通过子程序UMAT将模型嵌入ABAQUS/Standard中，对含缺口缠绕复合材料试件拉伸过程进行了仿真计算，验证了模型的正确性。采用该模型对缠绕复合材料壳体的水压破坏过程进行了仿真分析，结果表明:内压作用下缠绕复合材料的最终破坏是由于纤维断裂导致的，且纤维破坏主要出现在环向层，基体破坏主要出现在纵向层。      

碳纤维缠绕复合气瓶自紧力和疲劳的数值模拟

采用数值模拟方法研究了自紧工艺对碳纤维缠绕复合气瓶的应力分布和疲劳性能的影响。基于ANSYS商用有限元分析软件,考虑气瓶封头部分碳纤维缠绕层的角度和厚度沿封头子午线的连续变化,建立了有限元模型。分析验证了54 MPa自紧压力对复合气瓶零压和35 MPa工作压力下内衬和复合材料缠绕层应力的影响,并利用Coffin-Manson公式预测了复合气瓶的疲劳寿命。结果表明,自紧后复合气瓶内衬在工作压力下的最大应力减小了29.1%。有限元计算的疲劳寿命结果与实验测定结果之间的误差<8%,验证了有限元模型和计算方法的正确性。     

含矩形缺陷结构纤维全缠绕气瓶的爆破压力预测

采用数值模拟与理论分析相结合的方式对含矩形缺陷纤维全缠绕气瓶的力学行为进行分析。基于Hashin准则进行损伤模式表征以及损伤起始判定,并使用参数退化的损伤演化法则,使用FORTRAN语言编写了适用于ABAQUS/Explicit求解器的VUMAT子程序。选择缠绕顺序为[90°_2/18.9°_2/90°_2/28.9°_2/90°_2]纤维全缠绕气瓶为研究对象,分析矩形缺陷深度对于纤维缠绕气瓶应力水平影响。基于缺陷深度对筒体各层周向及轴向应力的影响,采用修正方法提出含缺陷纤维全缠绕气瓶爆破压力预测模型,模型预测结果与有限元模拟结果一致。对含不同缺陷深度的爆破压力做出预测,分析结果表明,当缺陷深度大于1.26 mm时,爆破压力迅速下降,影响气瓶正常使用。     

纤维缠绕角度对CFRP-Al混合圆管横向受载性能影响

基于准静态横向弯曲试验对缠绕工艺下制备的CFRP/Al混合圆管进行抗弯性能和吸能特性研究,分析了混合圆管的破坏模式,基于不同纤维缠绕角度的碳纤维复合材料-铝合金混合圆管三点弯曲试验结果,通过有限元仿真方法研究了内层纤维缠绕角度对其横向抗弯与吸能特性的影响。试验结果表明,CFRP-Al混合圆管横向载荷下的失效形式、损伤模式与纯铝管基本保持一致,但受纤维缠绕角度的影响失效形貌略有差异。纤维缠绕角度越小,CFRP-Al混合圆管的抗弯性能和吸能性越好,同时压溃效率(CFE)明显降低。基于验证的有限元模型,研究不同角度纤维缠绕内层对于表层纤维层的应力传递影响,小角度缠绕内层对于管件的轴向拉伸变形抑制增加了管件整体峰值载荷与吸能作用,大角度缠绕内层对于管件环向刚度的提升增加了整体压溃效率。依此分析可为合理设计CFRP-Al混合管提供有效依据。     

复合材料高压气瓶的碳纤维缠绕设计和ANSYS分析技术

为了获得复合材料气瓶合理的有限元分析模型,并能够有效地掌握气瓶固有的变化规律,以不锈钢316L为内衬、碳纤维(T1000GB)/环氧树脂(BA202)为复合层的高压气瓶作为研究对象,介绍了一种采用螺旋缠绕与环向缠绕组合线型的缠绕设计方法.利用该方法确定复合层厚度、缠绕角、缠绕层数等参数,运用ANSYS程序,采用薄壁壳单元shell91建立了复合层多层结构模型,得出了气瓶应力、应变分布规律,并给出了气瓶疲劳破坏点和起裂点处失效参数的变化历程,最后,将ANSYS计算结果与试验实测结果作了比对分析,为定量化研究复合材料气瓶提供准确的数据支持.研究结果表明:ANSYS数值仿真结果与试验结果吻合良好,采用壳单元shell91可以比较正确地模拟复合层的多层结构;柱形复合材料气瓶破坏薄弱点位于简体(靠封头)部位,气瓶受环向膨胀力影响较大,易使其沿纵向撕裂;随瓶内压力升高,薄壁内衬发生完全塑性变形,复合层仅发生弹性变形.     

叠层穿刺CF/Al复合材料准静态拉伸力学行为与失效机制

针对新型的叠层穿刺碳纤维织物增强铝基复合材料（CF/Al复合材料）,通过细观力学数值模拟与实验结合的方法研究了其在准静态拉伸载荷作用下的渐进损伤与断裂力学行为。复合材料经向拉伸弹性模量、极限强度与断裂应变的实验结果分别为129.61 GPa、630.14 MPa和0.75%,细观力学模型预测误差分别为-9.41%、7.57%和1.33%,均匀化计算的宏观应力-应变曲线与实验曲线总体上相符。经向拉伸变形初期首先出现经/纬纱交织处基体合金的局部损伤,随着拉伸应变量的增大依次发生纬纱和穿刺纱的横向开裂,拉伸变形后期基体合金与经纱失效引起宏观应力-应变曲线的急剧下降,复合材料拉伸断口表现为经纱轴向断裂及纬纱和穿刺纱横向开裂共存的形貌特征,纤维拔出和基体断裂导致的经纱轴向断裂是诱发复合材料最终失效的主要机制。     

薄层复合材料螺栓连接结构渐进失效机制试验研究

分别采用单搭接结构和双搭接结构研究了薄层复合材料层压板螺栓连接接头准静态拉伸加载渐进挤压损伤失效的过程。通过中断测试的方法利用X射线Micro-CT和扫描电镜（SEM）观察了拉伸加载过程中薄层层压板连接区域在特殊加载位置的损伤形式和变形特征。结果显示薄层层压板渐进失效过程主要损伤形式和传统厚度复合材料层压板相比基本一致,主要包括纤维断裂、基体开裂、纤维扭折和纤维/基体脱胶。然而,在传统厚度层压板复合材料中常见的失效方式即在挤压失效平面区域和拉伸失效平面区域广泛存在的分层损伤并未出现,这主要是薄层复合材料对初始损伤裂纹有效抑制的结果。由于损伤抑制作用,薄层层压板可在加载过程中承受更高的挤压载荷,具有更大的损伤容限。     

针刺C/C复合材料拉伸强度及渐进失效数值预测

基于金相显微镜观测的针刺C/C复合材料细观结构,考虑材料内部纤维的真实分布,建立了针刺C/C复合材料单胞模型。采用Linde失效准则,考虑纤维渐进损伤对材料进行了刚度折减,通过引入周期性位移边界条件,对针刺C/C复合材料的拉伸破坏进行了有限元法（FEM）数值模拟,分析了单胞模型的渐进失效过程,并预测了材料的拉伸强度。开展了针刺C/C复合材料拉伸试验,采用扫描电子显微镜（SEM）观察了材料的断口形貌,数值预测结果与试验吻合良好。针刺C/C复合材料受拉伸载荷后发生准脆性断裂,拉伸应力-应变曲线呈双线性,0°无纬碳布发生纤维断裂和基体开裂破坏,90°无纬碳布出现横向基体劈裂,最终断裂发生在针刺纤维与面内无纬碳布交叉区域。     

空间推进系统用铝内衬PBO 纤维缠绕高压气瓶的研制

以空间推进系统用高压复合材料气瓶的开发为背景,开展了PBO纤维的应用研究。分别对PBO/D-3和PBO/D-8复合材料力学性能进行了测试,获得了性能最佳的复合材料配方体系。在此基础上,将PBO复合材料用于空间推进系统用铝内衬复合材料高压气瓶,开展了2.4 L铝内衬高压气瓶的研制。结果表明:PBO(HM)/D-8复合材料力学性能最佳,其拉伸强度与NOL层间剪切强度分别高达1 397 MPa和20.2MPa,采用其缠绕的复合材料气瓶结构系数高达64.5 km。     

Multiaxial fatigue life prediction of composite laminates

A study of composite laminates under tension–torsion biaxial loading is presented. The focus is placed on fatigue lives of composite laminates under different tension–torsion biaxial fatigue loading paths. A macro-meso model used to predict multiaxial fatigue life of composite laminates is also presented in this paper. Firstly, a macro-scale 3D RVE corresponding to composite laminates is established to determine strain components in the material principal direction of each layer for each biaxial stress ratio. Secondly, a meso-scale 3D RVE corresponding to each layer with fibers distributed randomly is established, with progressive damage prediction method, biaxial strength of composite laminates can be predicted, and the final failure layer can be confirmed. Thirdly, select any one of fatigue loading path at which the final failure of composite laminates is fiber failure (matrix failure) to establish the reference curve for fiber (matrix). Finally, with reference curve, fatigue life of composite laminates under any biaxial loading path can be predicted. And numerical results show good agreements with experimental data.     

铝内衬碳纤维缠绕复合气瓶自紧压力分析

应用解析计算的方法对铝内衬碳纤维全缠绕复合材料气瓶在内压情况下的弹塑性历程进行了分

析,推导并得到了气瓶的自紧压力,通过水压应变测试及疲劳试验的方法进一步验证了计算结果的合理性。经

对比分析,文中提到的计算方法可用于今后相似结构气瓶的自紧力计算。

     

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。     

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。     

纤维增强复合材料轴结构铺层方案优化设计

基于细观力学有限元法,采用改进的细观力学代表体积元（RVE）模型预测连续纤维增强金属基复合材料力学性能,对比分析相同体积分数下不同排列RVE模型的计算结果.选定连续纤维增强金属基复合材料轴结构为研究对象,建立连续纤维增强金属基复合材料轴结构细、宏观力学模型,开展该轴结构承载能力计算.在此基础上,为实现连续纤维增强金属基复合材料低压涡轮轴铺层方案优化设计,参照某型航空发动机设计要求,以总铺层厚度为目标函数,采用random design法,确定了由细观RVE排列结构至宏观轴结构铺层方案.结果表明：采用正方形对角排列RVE模型计算的力学性能优于四边形排列RVE模型;纤维与基体呈正方形对角排列可提高轴结构承载能力、临界屈曲载荷、临界转速;该方法确定的铺层方案与通用（GE）公司的SiC/Ti低压涡轮轴铺层方案一致.     

A new stress-based multi-scale failure criterion of composites and its validation in open hole tension tests

A new stress-based multi-scale failure criterion is proposed based on a series of off-axis tension tests, and their corresponding fiber failure modes and matrix failure modes are determined at the microscopic level. It is a physical mechanism based, three-dimensional damage analysis criterion which takes into consideration the constituent properties on the macroscopic failure behavior of the composite laminates. A complete set of stress transformation, damage determination and evolution methods are established to realize the application of the multi-scale method in failure analysis. Open-hole tension（OHT） specimens of three material systems（CCF300/5228, CCF300/5428 and T700/5428） are tested according to ASTM standard D5766, and good agreements are found between the experimental results and the numerical predictions. It is found that fiber strength is a key factor influencing the ultimate strength of the laminates, while matrix failure alleviates the stress concentration around the hole. Different matchings of fiber and matrix result in different failure modes as well as ultimate strengths.     

可重复使用复合材料气瓶设计及试验验证

为了适应未来重复使用运载器更高的重复使用性能要求,设计了一种航天用轻质高压可重复使用复合材料气瓶,采用金属内胆/复合材料层结构形式。复合材料采用T700碳纤维复合材料,金属内衬采用铝合金。采用有限元仿真和试验验证的方法对气瓶的强度和重复使用性能进行了分析和验证,其仿真爆破强度为81 MPa,试验爆破强度84 MPa,仿真与试验疲劳失效次数均大于1 200次。结果表明,所设计的重复使用复合材料气瓶满足23 MPa工作压力重复使用300次要求。     

Constitutive modelling of composite laminates under uniaxial compression

A nonlinear constitutive model for a single lamina is proposed for the failure analysis of composite laminates. In the material model, both fiber and matrix are assumed to behave elasticplastically and the in-plane shear is assumed to behave nonlinearly with a variable shear parameter.The damage onset for individual lamina is detected by a mixed failure criterion, composed of the Tsai-Wu criterion and the maximum stress criterion. After damage takes place within the lamina,the fiber and in-plane shear are assumed to exhibit brittle behavior, and the matrix is assumed to exhibit degrading behavior. The proposed nonlinear material model is tested against experimental data of composite laminates subjected to uniaxial compressive loads, and good agreement is obtained.