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。     

含初始分层复合材料层合板压缩剩余强度计算

针对含预制分层损伤的树脂基复合材料层合板,利用3维逐渐损伤分析方法,建立含预制分层损伤层合板的有限元模型,提出了1种含预制分层损伤的层合板压缩剩余强度的计算方法。采用有限元方法对层合板的应力进行分析,采用3维Hashin失效判定准则判定单元的损伤类型,并提出相应的损伤退化方式和材料的最终失效准则,在ANSYS软件开发平台上利用APDL语言编写相应的计算程序,对2种含不同预制分层损伤的层合板计算其压缩剩余强度,结果表明:计算结果与试验结果吻合较好。     

复合材料厚板双轴非线性刚度特性分析

基于非线性本构关系与厚板理论,研究了一种采用增量步迭代法对复合材料厚层合板渐进失效过程进行双轴刚度特性分析的方法。以三维Hashin失效准则为单层板失效判据,当层合板中有一层或多层被检测到失效时,对失效层进行刚度折减,并在增量过程中不断更新刚度矩阵。采用有限元软件MSC.Patran自带的编程语言PCL,编写了计算程序。应用该程序分别对不同材料和不同铺层的层合板算例进行非线性刚度计算,给出了不同的铺层和材料组合下层合板在不同载荷比下的应力-应变曲线,展示了层合板渐进失效过程中应力-应变的变化关系,为复合材料厚板失效分析过程中的刚度变化提供理论与计算依据。     

复合材料层压板压缩剩余强度分析

为了对复合材料含孔层压板的压缩剩余强度进行快速、精确地评估,采用了有限元渐进损伤剩余强度分析方法。使用Tsai-Wu准则作为强度判据,使用Abaqus用户子程序USDFLD对破坏的单元进行刚度折减。单元的刚度折减采用材料性能退化的方法实现。对复合材料含孔层压板进行有限元渐进损伤分析,得到了含孔层压板的破坏过程、破坏载荷和剩余强度,以及不同角度铺层的主要破坏类型。通过对复合材料含孔层压板压缩剩余强度的有限元分析数据与试验数据对比研究发现,使用Abaqus用户子程序USDFLD的有限元渐进损伤剩余强度分析方法得到的分析结果与试验结果非常接近。试验数据和有限元分析数据验证了Abaqus用户子程序USDFLD和刚度折减方法的正确性以及渐进损伤剩余强度分析结果的精确性。     

基于刚度降模型的复合材料层合板疲劳寿命估算

基于有限元方法,把层合板的疲劳失效看作是单元刚度退化、应力重新分布和单元损伤不断累积的动态过程,提出了一种复合材料层合板疲劳寿命估算方法。利用MSC．Patran／Nastran建立了层合板有限元模型,进行了[0/90]4S和[-60／0／60]3S两种铺层方式的数值分析,静强度和疲劳寿命预测值与文献中的试验结果吻合较好。     

层合板准静态压痕损伤分析

对复合材料层合板进行了横向静态压痕试验,得到了载荷-位移曲线.依据曲线上的位移值,采用九节点壳单元、三维Tsai-Wu失效判和损伤层刚度折减方法,对准静态压痕损伤进行了计算,并与超声C扫描压痕损伤检测图像做了比较.结果表明,损伤仿真与实际损伤检测图一致性好.     

高温下开孔复合材料层合板压缩试验及有限元分析

在高温环境下对开孔复合材料层合板进行压缩性能试验及其损伤的有限元分析,将得到的压缩强度进行比较,两者相差3.1%,在误差允许的范围内。同时由有限元损伤分析,得到了各铺层角的具体失效损伤图。结果表明,复合材料层合板开孔压缩有限元损伤分析,能够很好地得到复合材料层合板在压缩过程中的损伤扩展和最终破坏,并最终预测复合材料层合板压缩失效模式和压缩强度。     

一种层压复合材料组合界面单元及有限元模型

 为了高效模拟计算复合材料层合板的层间损伤,提出了一种由刚性元和零厚度的内聚力单元组合而成的新型组合界面单元,并提出了以弯曲板单元作为子层单元,与上述界面单元结合构成的层合板三维有限元模型,通过界面单元刚度的连续衰减模拟分层损伤累积过程。有限厚度的八结点组合界面单元每个结点有5个自由度,能考虑子层结点平动和转动对层间损伤的作用。通过对双悬臂梁(DCB)和末端缺口弯曲(ENF)试验的计算模拟表明,新型组合界面单元和有限元模型能很好地模拟复合材料层合板的分层损伤过程,对不同的网格划分有很好的适应性。     

复合材料卫星承力筒连接结构分析

大型卫星承力筒的连接结构损伤是设计时必须要考虑的关键问题，以某碳纤维复合材料卫星承力筒的连接结构为研究对象，应用ABAQUS有限元软件建立复合材料层合板连接结构渐进损伤模型，并且根据Hashin失效准则及Tserpes材料性能退化准则，应用Fortran语言二次开发了UMAT子程序，研究承力筒层合板螺栓连接及胶螺混合连接的失效机制；在此基础上，利用仿真分析螺栓连接结构的刚度探究对卫星承力筒试验件力学性能的影响。结果表明：利用螺栓连接结构刚度进行仿真建模的卫星承力筒试验件结果更接近试验值，其误差相比于多点约束—MPC单元减小了4%～9%,说明此方法能更好地满足仿真分析要求。该分析方法为复合材料卫星承力筒连接结构的力学性能及多螺栓连接结构的有限元仿真分析提供一定参考，适用于具有连接结构的卫星力学分析。     

一种非线性模型下的复合材料螺栓连接失效分析

复合材料螺栓连接结构已广泛应用于飞机结构件,研究其拉伸失效问题具有重要意义。结合Hashin失效准则、能量耗散率方法、Puck失效准则和材料损伤连续退化方法,建立一种包含面内损伤和层间损伤的复合材料三维非线性模型;将含开孔层合板准静态拉伸试验结果与有限元数值模拟结果进行对比,两者之间的应力应变响应及最终断裂失效模式一致,证明该本构模型是有效的;在此基础上,对复合材料单钉双搭接螺栓连接结构进行拉伸失效分析。结果表明:数值模拟所得位移载荷响应与试验结果吻合良好,极限拉伸载荷误差不超过5%,满足工程应用要求;加载过程中的孔边变形和损伤累积使得螺栓连接结构整体刚度下降,其最终破坏模式为中搭接板挤压失效。     

Z-pin增强复合材料开孔层合板压缩性能

针对复合材料开孔层合板孔边应力集中而导致承载能力降低现象,采用Z-pin增强技术提高性能。重点了研究开孔层合板的压缩性能,制备了不同Z-pin植入体积分数的开孔层合板试样并进行了压缩试验,在试验基础上,应用有限元分析方法对Z-pin增强开孔层合板进行建模分析,基于渐进损伤分析法和内聚单元法模拟了复合材料基体以及Z-pin的增强效果。试验结果表明:Z-pin的植入可以显著提高开孔层合板的抗压性能,且随着Z-pin植入体积分数的提高,压缩性能不断上升,压缩强度最高可以提高23.06%;只有沿载荷方向,位于开孔两侧的Z-pin可以提高结构的承载能力;在Z-pin桥联力的作用下,降低了损伤的扩展速度,但并没有改变层合板的最终失效模式。模拟结果表明:压缩损伤从孔边向两侧扩展,位于层合板中心的铺层最先出现损伤,其中第6层与第10层的增强单元最先发生破坏。模拟计算结果与试验结果得到了较好的吻合,该有限元模型对于Z-pin增强复合材料开孔层合板的适用性得到了验证。      

复合材料层合板胶接补强结构的承载能力分析

在任意四边形四节点复合材料层合板壳单元的基础上，推导了相应的八节点胶单元，并采用蔡-希尔强度理论以及蔡氏刚度退化准则，对复合材料层合板胶接补强结构进行刚度分析和极限承载能力分析，编制了相应的有限元分析程序。通过算例，对不同的补强面积对结构挠度的影响，以及对复合材料层合板开孔处补强结构的破坏载荷进行了分析和讨论，得到了一些有益的结果。     

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.      

复合材料挖补修理结构渐进损伤分析

采用材料弹性系数的刚度退化模型分析了复合材料挖补结构的极限强度。基于Mayes模型提出了一种复合材料层合板的刚度退化方法,以带中心孔拉伸试件为对象,在完成有限元网格划分与单元选取的适应性研究后,使用复合材料层压板挖补试验件进行了渐进损伤分析方法的有效性验证。开展了挖补结构的渐进损伤分析和挖补参数对极限强度的影响研究。研究结果表明,采用层合单元的有限元模型和基于材料弹性系数的刚度退化模型,可以作为复合材料修补结构强度的基本分析模型,计算效率和分析精度能够满足工程分析需求,修补设计参数对修补结构强度的影响呈非线性。研究结果可以为复合材料层压板挖补修理设计提供参考。     

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%.      

含分层损伤复合材料层合板振动特性

针对复合材料层合板分层损伤区域上、下子板的畸变模态,采用自定义矩阵单元模拟其损伤区的接触刚度,建立了一种合理的层合板分层损伤有限元振动分析模型;在此基础上研究了分层深度和分层大小对复合材料层合板振动特性的影响.数值模拟结果与实验结果的对比表明:采用的自定义矩阵单元可以有效地模拟层合板的分层损伤,模态计算值与实验值的最大误差为10.67%,最小误差为0.34%;分层深度和分层大小对复合材料层合板振动特性有较大影响,随分层深度变化,固有频率最多下降50%;随分层大小变化,前4阶固有频率最多下降12%.      

一种预估复合材料钉-孔挤压强度与刚度的方法

基于累积损伤理论对金属-复合材料单钉连接件强度和刚度进行研究。分析层合板钉孔挤压损伤后剩余刚度的变化规律,提出在挤压变形和强度计算中,针对基体和纤维压缩失效,采用相关模量先突减、然后逐渐提升的刚度修正方法。分析获得钉-孔挤压区基体和纤维压缩失效后的材料刚度(模量)参数随压缩应变量变化的规律,用来模拟连接结构的挤压强度和刚度行为,与试验结果相吻合。     

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。     

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。