复合材料层合板结构的广义强度准则

在试验研究的基础上,将复合材料层舍板看作一个"宏观各向异性板",提出了一种基于试验的复合材料层合板结构广义强度准则的二次完备表达式,并分析了表达式中各参数的试验求解方法.对3种典型铺层的层合板进行纵向拉伸、纵向压缩、横向拉伸、横向压缩、面内剪切等简单裁荷以及双向拉伸、拉剪组合(纵向、横向)等组合栽荷试验.给出了不同铺层形式下广义强度准则表达式中各项系数值.采用该强度准则预测复杂应力状态下的破坏应力与试验值吻合较好.     

复合材料层合板冲击后剩余强度的工程估算方法和有限元模拟分析

为研究复合材料层合板冲击后剩余强度(CAI)的计算,本文给出了两种方法:工程估算和有限元预测.工程估算是将受冲击损伤的复合材料层合板简化为正交各向异性带孔板,按照Nuismer-Whitney平均应力准则,计算正交各向异性带圆孔板的破坏强度.作为层合板冲击后剩余强度的估算值.有限元方法则是采用Hashin失效准则和Tan的刚度降准则,在ABAQUS软件中自编UMAT材料损伤子程序,进行带孔层合板的损伤强度预估分析.结果表明,工程估算方法和有限元方法的计算结果均与试验结果相差不大,两种方法均可作为工程中估算剩余强度的有效方法.     

含孔层合板剩余强度估算的应力场强法工程简化模型

开孔的存在会显著地降低复合材料结构的强度。基于应力场强法的思想,提出了一个预测含圆孔复合材料层合板剩余强度的工程简化模型。采用大量试验数据,对本文提出的应力场强法模型与其他典型的特征距离法模型进行了评估分析。结果表明,应力场强法和平均应力准则法预测能力要优于点应力准则法和损伤区域准则法,应力场强法预测值与试验吻合程度略优于平均应力准则法。     

基于CDM的复合材料层合板三维非线性渐进损伤分析

建立了基于连续介质损伤力学(CDM)的中等尺度复合材料层合板三雏渐进损伤分析模型.模型中损伤材料本构方程采用对应于不同损伤模式的内部状态变量进行描述,材料失效准则采用三维HASHIN准则.分析了含孔复合材料层合板压缩试件.计算强度与试验数据的吻合表明该模型可用于预测舍孔层合板的压缩强度,同时该模型可以预测层合板的失效模式以及损伤发生、扩展直至最终破坏的整个过程,并且该模型具有较好的计算收敛性.     

钉头型式对复合材料层合板机械连接强度的影响

通过3种不同铺层比例的复合材料层合板机械连接接头的挤压强度测试,研究了钉头型式对复合材料层合板机械连接挤压力学性能的影响,获得了沉头螺栓挤压强度修正系数。试验数据表明：采用沉头螺栓的复合材料机械接头 的挤压强度,可达到采用凸头螺栓的复合材料机械连接挤压强度的90%左右,但接头刚度仅为采用凸头螺栓的复合材料接头刚度的40%~50%。研究采用Hashin失效准则和Tan-Camanho损伤扩展方法,对两种钉头型式的复合材料层合板机械连接接头的挤压失效过程进行了有限元分 析,预测了复合材料层合板机械连接接头的偏移挤压强度和极限挤压强度,模型预测值与试验值的误差不超过15%。     

压缩载荷下非对称变厚度复合材料层合板性能研究

对非对称结构形式的变厚度复合材料层合板在准静态压缩载荷下的失效机理进行了试验和数值研究。在ABAQUS/Explicit中建立全新的三维有限元模型（Finite element model, FEM）,其中Hashin准则用于复合材料层合板渐进失效分析,内聚力建模用于模拟分层的萌生和扩展。根据试验得到的应变数据分析,不连续的中性轴使层合板中产生弯矩,这些弯矩与轴向压缩载荷相互耦合,共同作用在层合板上。有限元结果表明,在薄段和变厚度段的交界处存在明显的应力集中,且薄段的应力大于厚段的应力。在交界处,发生了分层以及纤维和基体的压缩损伤,这与试验的结果一致。FEM预测的极限荷载比试验测得的平均极限荷载小10.7%,证明了模型的可行性和合理性。     

基于BP神经网络的含褶皱复合材料强度预测

利用BP(Back propagation)神经网络处理多参数问题具有的非线性映射及泛化能力,构建了具有3层隐藏层的神经网络,对含纤维褶皱复合材料层合板的压缩强度进行预测。基于LaRC失效准则建立三维损伤模型,对含褶皱复合材料的压缩失效进行数值分析。将数值分析结果作为数据样本对神经网络进行训练。采用黄金分割法快速确定最佳隐藏层神经元数量区间范围,并通过分析对比不同数量神经元模型的强度预测结果及评价指标,确定具有高预测精度的隐藏层神经元数量。结果表明,所构建的神经网络预测最大褶皱角为5.6°、9.9°和11.4°的3种层合板失效强度误差分别为3.4%、4.6%和-0.01%。本文所发展的基于BP神经网络对复合材料强度进行预测的方法,为工程应用中复合材料强度评估提供了一种有效的途径。     

缝纫/RFI层合板单钉连接性能计算研究

本文建立了三维有限元分析模型,对缝纫层合板的单钉连接性能进行了理论分析,模拟了钉孔受挤压边缘附近一些典型的针脚位置情况．计算得到钉孔周同的平均径向应力和层间应力分布;并且应用三维点应力损伤判据,得到各种典型针脚位置情况下的缝纫层合板初始挤压破坏强度。研究结果表明,计算结果和试验结果吻合较好,证明该模型能有效地分析缝纫层合板单钉连接性能。且不同针脚位置对缝纫层合板机械连接性能确有重要的影响。     

复合材料层合板低速冲击损伤的预测模型

在低速冲击载荷作用下,建立了一种适用于铺层总数较多的复合材料层合板的损伤预测模型。采用三维Puck失效准则预测层内纤维与基体的破坏,并获得基体失效时的断裂面角度。根据低速冲击下复合材料层合板的层间分层损伤机理,同时考虑面内横向正应力、厚度方向正应力、层间剪应力和相邻铺层的损伤状态等因素对界面分层的影响,发展了一种新的冲击分层失效准则。为快速有效地预测铺层总数较多的复合材料层合板的冲击损伤,通过对单元积分点处的应变进行线性插值,提出了在单个实体单元内预测多个铺层损伤的数值计算方法。模型成功预测了受冲击层合板具体的失效模式,预测的分层形状和尺寸与试验值吻合较好,并显著减少了有限元模型的规模,表明本文所发展的数值方法对预测复合材料层合板低速冲击损伤的有效性。     

复合材料的弹性常数和断裂韧度

本文推导了[O°]_s、[±30°]_s、(±45°]_s、[±60°]_s和[90°]_s五种铺层方向的复合材料层合板的工程弹性常数的公式,并用试验作了验证,同时测量了单边裂纹拉伸试样的裂纹扩展方向,应用K准则、G准则和断裂功γF确定了复合材料层合板的断裂韧度,分析了铺层角度对断裂韧度的影响。     

开孔变刚度层合板压缩屈曲性能研究

针对开孔变刚度层合板,建立3种尺寸的层合板有限元模型,采用了线性屈曲、引入残余热应力的线性屈曲和引入初始缺陷的非线性屈曲的3种分析方法,研究了开孔层合板在压缩条件下的屈曲行为,并通过自动铺丝制造层合板进行试验对比,对3种方法的合理性进行了分析。结果表明,引入残余热应力的线性屈曲分析方法与试验结果最吻合,两者仅相差0.63%。基于该方法,讨论开孔层合板残余热应力分布特点和应力水平,得出了开孔层合板的应力分布云图和应力分布规律,计算出残余热应力对开孔复合材料层合的屈曲影响。结果表明,残余热应力对传统直线开孔层合板的屈曲载荷影响很小,仅提高了3.57%,但大大提高了变刚度开孔层合板的屈曲载荷,最多可达23.40%。说明纤维曲线铺放可以改变内部残余热应力的分布,提高整个开孔层合板承载压缩载荷的能力。     

各向异性弹性体的通用强度准则研究

本文描述了文献中确定相互作用参数F_(xy)的方法及其根据,指出唯象学理论仍停留在假设阶段不能尽如人意。作者根据复合材料能承受无限大静水压力的实验事实,经较详细的数学推导,得到了F_(xy)的数学表达式。经探讨,用这种方法得到的强度准则对称性和兼容性均好,且适合于三向应力状态。作者还将本文结果与文献中的各种确定方法作了比较,结论是,本文的确定方法数学严密,且力学物理意义直观。作者所作的[04]T单向管状件的轴-内压试验结果表明,本文提出的方法与实验的符合程度是令人满意的。     

复合材料层间应力和湿热效应的有限元分析

本文用三维体元对复合材料层合板的层间剪切应力和拉(压)应力进行分析,同时计算了非对称层合板的应力分布和变形。文中分析了湿热应变引起的翘曲变形,并考虑了结构材料弹性系数是温度和水分比浓度的函数。     

三向碳/碳复合材料强度准则的改进

本文首先对各向异性材料强度理论进行了简要回顾。接着为建立3DC/C材料的强度准则方程提出了改进。它是以Tsai-Wu理论为基础,利用文献提供的3DC/C材料强度性能数据,采用多种应力状态实验数据最佳拟合的思想来确定强度准则方程中各项系数。因此,本文为3DC/C材料建立的强度准则比现有强度准则有所改进,工程使用也比较简便。     

平面机织复合材料低温力学性能数值分析与试验验证

建立了单向玻璃纤维增强复合材料及酚醛树脂基平面机织复合材料层合板周期性单胞三维(3-D)有限元模型,在两个模型的有限元分析中引入周期性边界条件,保证了周期性单胞边界面的应力和应变的连续性。通过有限元模拟获得单向纤维增强材料的各项力学参数。模拟了常温及低温情况下基体模量改变这两种情况下层合板拉伸、压缩和剪切的渐进损伤过程。引入合适的损伤起始和损伤扩展准则,预测了层合板在两载荷下的破坏过程。在常温和-50℃两种情况下,对平面机织复合材料进行了拉伸、压缩、剪切试验。将有限元模拟结果与层合板在常温和低温下的试验结果进行了对比,进一步讨论了影响酚醛树脂基复合材料层合板低温力学性能的因素,得出了材料在低温情况下力学性能优于常温情况,同时也用试验验证了分析方法的正确性。     

低速冲击下复合材料层合板损伤试验与模拟

对复合材料层合板进行四种不同能量的低速冲击试验,测量了不同冲击能量下的凹坑深度,并利用超声C扫描获得了层合板分层形状和面积。依照试验条件,建立复合材料层合板低速冲击三维有限元模型,模型中分别采用hashin失效准则和界面单元模拟层内失效和层间损伤,结合试验与模拟结果,讨论了复合材料层合板在低速冲击下的损伤特征,以及冲击过程中层合板内部损伤的发生及演化规律。     

含孔复合材料层合板轴向拉伸三维有限元渐进失效分析

基于渐进失效分析方法,建立了带孔的三维有限元模型.该模型能有效计算应力集中区和自由边界区的应力以及层间应力,为渐进失效分析提供了可靠的基础.本文采用了修正的三维Hashin准则作为单元失效的判断依据,使用交互式退化模型对失效单元进行材料性能退化;同时研究了材料常数υ23值和刚度缩减系数(SCR)对失效载荷预测结果的影响;实现了失效扩展过程的仿真分析;计算了不同层合板的最终失效载荷,计算值与试验值误差小于10%.     

基于单层特征曲线法的复合材料机械连接接头强度分析

提出基于单层的特征曲线法,对复合材料机械连接接头强度进行了分析计算.在基于单层的特征曲线法中,特征长度根据各层的受力特点用数值方法确定,不需要试验,通过对各层特征曲线位置处单元进行失效判断,确定接头的破坏载荷.通过算例分析可知,采用本文所提出方法所得的计算结果与试验值吻合很好,较基于层合板特征曲线法所得结果更精确,说明了该方法的有效性.     

缝纫/RFI层合板单钉连接性能试验研究

通过对不同铺层及不同缝纫角度的缝纫／RFI层合板的单钉单剪连接强度试验,了解到缝纫针脚位置对缝纫层合板机械连接性能有显著的影响。当针脚距离钉孔受挤压边缘较近时,缝纫层合板的挤压破坏强度低于普通的层合板,只有当针脚在钉孔挤压区外或距离钉孔受挤压边缘较远时,缝纫层合板才显示出好于普通层合板的机械连接性能。试验结果还表明铺层比对缝纫层合板的机械连接性能也有影响,其规律类似于普通层合板。     

考虑面元转弯纤维横向约束效应的编织复合材料修正模型

针对编织复合材料计算模型横向力学性能误差大和强度试验数据缺乏的研究现状,补充了纵横方向的刚度和强度试验数据,基于简单的刚度体积加权模型,考虑面元转弯交叉纤维的横向刚度约束效应,本文引入刚度调整因子——编织致密度,提出了面元刚度横向约束修正模型,纵横刚度和泊松比的计算误差在10％以内;结合层合板Tsai-Hill强度准则...