整体复合材料结构分层特性研究进展（一）

整体复合材料件越来越多地被用作现代航空航天器的主承力结构,而分层是其最易出现的破坏形式。本文作为整体复合材料结构分层特性研究综述的第一部分,重点介绍界面断裂力学和应力分析方法。论文首先对复合材料失效和分层研究进行了简要的回顾,然后详细介绍了界面断裂力学发展的历史、基本公式和在复合材料分层研究中的应用,并且介绍了几种界面裂纹尖端场的求解方法——J积分、修正的裂纹闭合积分（Modified Crack Closure Integral）和M积分法。其次,对应力分析在复合材料分层研究中的应用进行了简要的回顾。     

含界面脱粘三维五向编织复合材料单向拉伸损伤失效机理研究

建立了含界面脱粘的三维五向编织复合材料单向拉伸损伤分析有限元模型.将Tsai-Wu强度准则用于纤维束损伤判断并确定材料失效模式,结合Murakami损伤张量表征材料各向异性损伤,根据失效模式进行材料性能退化;界面相和基体分别采用Quads准则和Mises准则作为失效判据,引入刚度折减;建立了五向编织复合材料的损伤预测模...     

纤维增强钛基复合材料结构强度计算模型建立与修正方法

为了对SiC纤维增强钛基复合材料结构强度进行准确预测,基于宏-细观力学跨尺度分析方法,对复合材料强度进行计算。建立了复合材料层合板的有限元仿真计算模型,对复合材料层合板在横向拉伸与压缩载荷作用下的损伤演化及失效强度进行预测,并进行试验验证。建立细观力学代表体积元（RVE）模型,对模型施加周期性边界条件,实现横向拉、压载荷下基体的应力集中系数以及失效强度的计算。考虑结构实际受载中,复合材料的界面开裂对横向强度的影响,对模型进行修正,分析界面开裂的过程,计算修正后模型的应力集中系数以及失效强度,修正后的模型预测精度提升6.51%,与试验值误差为24.17%,验证了纤维增强复合材料强度计算方法的有效性。     

复合材料整体化加筋壁板高速冲击损伤数值模拟

 以复合材料结构抗弹性能分析与设计为目的,根据纤维的线弹性假设和基体的粘弹性假设,推导了复合材料单向板的粘弹性本构关系,导出了高应变率下复合材料层板的一阶剪切理论,建立了复合材料整体化加筋壁板高速冲击有限元分析模型.该模型引入界面单元模拟复合材料层间分层以及筋条与壁板间的脱粘损伤,结合Hashin失效准则进行筋条和单层板面内损伤识别,引入材料刚度退化,采用非线性有限元方法,研究了复合材料加筋结构高速冲击的破坏过程及损伤特性.数值分析结果与实验结果吻合良好,证明了该方法的合理有效性.探讨了筋条参数对高速冲击损伤的影响规律,获得了一些有价值的结论.     

复合材料界面的表征——单丝力学方法

本文评述了表征复合材料界面的各种单丝力学方法对于不同纤维/树脂复合材料体系的适用性。其中包括单丝拔出试验、单丝界面剪切和横向拉伸脱粘强度测定、单丝的临界长度测量、单丝界面剪切破坏能测量、微脱粘试验等方法。     

考虑复合材料层合板就地效应的强度理论

为了能准确预测复合材料层合板的失效起始和破坏过程,发展了一种考虑层合板就地效应(In-situ Effect)的强度理论,方法包括就地强度的确定、失效起始判定和材料性能退化。介绍并推导了基于断裂力学假设的就地强度计算方法,将层合板内的铺层分为内嵌厚层、内嵌薄层和外表面层3种类型,不同类型的层分别对应不同的计算方法。建立了一种考虑就地强度的面内失效起始准则,提出了相应的强度分析方法流程。对单向和多向层合板的失效包线进行了预测,计算结果表明发展的强度理论能很好地预测结构的失效起始,充分反映材料从失效起始到最终破坏的试验现象和规律,与传统Hashin准则相比预测精度明显提高。通过对准各向同性层合板失效包线预测发现,在进行层合板强度分析时考虑就地强度能明显提高预测失效起始的准确性和精度,在复合材料结构强度分析过程中考虑层合板的就地效应十分必要。     

树脂基三维机织复合材料结构与力学性能的关系研究

通过拉伸、弯曲、压缩等实验,评价了4种不同结构的三维机织角联锁织物增强的碳/树脂基复合材料结构与力学性能的关系.结果表明:对于纤维体积含量相近的4种不同结构的3D机织复合材料而言,它们之间的拉伸、弯曲、压缩性能差异很大,在2倍左右;衬经纱和衬纬纱可以显著改善力学性能;纤维与树脂之间的界面破坏-脱粘是3D机织复合材料最先发生失效的形式;带衬经衬纬的No.1结构复合材料的综合力学性能最佳.可以推断,改进界面结合力能大大提高3D机织复合材料的力学性能.     

界面层参数对陶瓷基复合材料单轴拉伸行为的影响

采用细观力学方法研究了界面层参数对陶瓷基复合材料单轴拉伸行为的影响.在剪滞模型基础上提出了考虑界面相与界面层效应的力学简化模型,结合临界基体应变能准则、最大剪应力准则、临界纤维应变能准则确定基体裂纹间距、界面脱黏长度和纤维失效百分数,对考虑界面层影响的陶瓷基复合材料拉伸应力-应变曲线进行了模拟,讨论了界面层体积分数、弹性模量及泊松比对拉伸行为的影响,并与试验结果进行了对比,发现考虑界面层及界面相的影响时,界面脱黏和纤维失效段应力-应变曲线与试验数据更接近,预测效果更好.      

复合材料层压厚板接头失效分析研究

随着复合材料在航空工程中的广泛应用,需要对复合材料结构的强度问题进行探究,而国内对复合材料层压厚板接头的失效模拟与分析方法研究较少。为此,以复合材料厚板接头为研究对象,基于三维渐进失效分析方法,选取合理的本构关系、失效准则、材料退化模式,并利用Fortran语言编写Umat子程序完成渐进失效方法的应用实现。通过对比复合材料层压厚板接头静强度试验和计算结果,表明本文所采用的三维渐进失效分析方法计算得到的应变-载荷数据与试验结果基本相符,即本文方法能够较好地模拟层压厚板接头的拉伸破坏过程,且可实现变参迭代计算,可为复合材料厚板接头结构的优化设计提供参考。     

SiC／Ti-153复合材料界面与性能研究

对带(B4C C)涂层的SiC纤维增强Ti-153复合材料的界面反应进行热力学分析,并对界面反应层做能谱成分分析及X-射线衍射结构分析.结果表明,界面反应层为TiC,TiB2和TiB相的组合物.采用不同的热压工艺制备复合材料并分别进行拉伸实验及扫面电镜观察,从而得出不同界面结合状态与拉伸性能之间的关系.对经不同时间的热处理具有不同界面反应层厚度的复合材料进行拉伸实验,结果表明,随着反应层厚度的增加复合材料性能下降.     

弱界面黏结通用单胞模型数值分析

为考查通用单胞模型和弱界面分离模型模拟复合材料界面脱黏的有效性,考虑了柔性界面,常响应界面和渐进适应界面三种不同的界面分离模型,并分析了界面对材料性能的影响.计算结果表明,将界面分离模型集成到通用单胞模型中,增强了通用单胞模型的适用范围和对复合材料力学响应特性的模拟分析能力.      

民用飞机外翼、中央翼下壁板对接结构分析及试验研究

对接结构设计是飞机机翼结构设计的重要环节,其设计的优劣关系到飞机的使用寿命和安全性能。在分析国外先进民用客机外翼与中央翼对接结构型式的基础上,设计了两种机翼下壁板与对接肋的连接型式,并对其连接强度和失效模式进行了研究。利用商业有限元软件ANSYS研究拉伸载荷下对接结构的承载能力,根据计算结果针对对接型式进行试验研究,研究其破坏模式及钉载分配。最后,比较分析了两种不同结构型式的破坏模式和载荷分配,为关键连接区的结构细节设计提供方法支持。     

整体复合材料结构分层特性研究进展（二）

整体复合材料件越来越多地被用作现代航空航天器的主承力结构,而分层是其最易出现的破坏形式。本文作为整体复合材料结构分层特性综述的第二部分,重点介绍了虚拟裂纹闭合技术和内聚区模型。论文首先对虚拟裂纹闭合技术的发展历史、基本公式和进行数值计算时需要注意的问题进行了阐述,介绍了该方法在复合材料分层研究中的最近应用情况。其次,详述了内聚区模型的发展历史、本构关系、界面参数,并对最近的应用情况进行了介绍。     

Ti合金与SiC_p/Al复合材料在无压浸渗同步复合过程中的相容性

采用熔铝无压浸渗复合工艺在高体份SiCp／Al复合材料制备过程中同步复合Ti合金零部件（圆柱体）,研究了这种跨宏-微观尺度、超混杂铝基复合材料的微观组织及性能,特别是SiCp／Al复合材料与Ti合金零部件之间的相容性。结果表明,复合材料性能优异、组织致密,SiC颗粒分布均匀、无偏聚现象。SiCp／Al复合材料与Ti合金之间的界面结合非常紧密,Ti元素向铝合金基体一侧有一定距离的扩散,并且出现了可增强界面结合的连续、无缺陷的界面反应物薄层,SEM和XRD分析表明界面反应产物为Al2Ti,界面剪切强度超过200MPa,完全可以满足在复合材料中的Ti合金零部件处加工装配孔的要求。     

复合材料胶粘修复界面的载荷传递仿真优化

胶接修复工艺是飞机结构修理的重要工艺之一,为了研究胶黏工艺对修复效果的影响规律,探索最佳的工艺参数,本文建立胶粘修复的三维模型,利用ANSYS Workbench有限元软件对胶粘修复界面载荷传递进行分析,讨论补片材料、补片厚度、胶层剪切模量和胶层厚度对胶接修复的影响。仿真结果证明补片材料为硼/环氧树脂时,胶粘失效风险最小;补片较厚时,胶接修复效果好,但补片过厚会削弱胶接修复的效果;胶黏剂剪切模量越大越有助于损伤区域的修复,工程应用中建议选用剪切模量较高的胶黏剂;胶层较厚时会增大胶层发生缺陷的概率从而减弱修复效果,建议合理选取厚度较小的胶层。最后提出修复界面的表面处理、复合材料端部的溢胶以及倒角处理均有益于修复结构的载荷传递,缓和胶粘界面应力水平,降低胶层失效的风险。     

某型飞机飞参接口板的工作机理及故障模式分析

分析了某型飞机的飞参接口板工作机理 ,给出了详细的故障树和排故方法 ,可为飞参地面站人员排除飞参疑难故障和飞参地面站的国产化提供参考     

热载荷下热障涂层表-界面裂纹间的相互影响

针对高温热载荷条件下APS制热障涂层裂纹失效问题，基于涂层系统热弹、热弹塑性本构关系，考虑陶瓷层/氧化层/粘结层界面凹凸形貌，依据表、界面裂纹位置、性质不同，分别运用断裂力学和损伤力学理论建立裂纹演化模型，结合围线积分和内聚力单元法，分析了热载荷下表、界面裂纹断裂参量及开裂状态，研究了陶瓷层表面裂纹与粘结层/氧化层界面裂纹间的相互影响，揭示了热、力、化多场耦合下的裂纹失效机理。结果表明，表面裂纹大幅改变界面微区域的应力分布状态，靠近界面时能使界面裂纹扩展程度整体增加20%，且相邻凸峰处开裂非均匀性可达81%，表面裂纹断裂参量主要受多层结构热失配及缺陷主导，界面裂纹对其影响相对较小，分析结果与试验结果一致。