含低能量冲击损伤碳纤维层合板剩余压缩强度分析

T700/DS1202碳纤维层合板是一种目前在国内无人机领域广泛使用的复合材料.在对T700/DS1202碳纤维层合板冲击损伤及压缩后的损伤扩展情况试验检测的基础上,分析了含低能量冲击损伤层合板在压缩载荷下的破坏机理,并采用有限元法进行了模拟.结果表明,15J是冲击损伤的门槛值,当冲击能量大于等于该值时,层合板剩余压缩强度降至90％以下;压缩时冲击损伤处分层,并从心部扩展至边缘,造成层合板最终失效.     

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.     

挖补参数对低能量冲击损伤层合板修理性能的影响研究

为探索层合板低能量冲击损伤挖补修理参数及其对修理性能的影响,采用两种冲击源对T700/DS1202层合板进行了冲击试验,并进行挖补修理,测试修理后的压缩强度。结果表明：无论是何种冲击源,采用阶梯形挖补修理工艺,强度恢复率均可达79.9%以上。但在同等冲击能量等级下,锥形冲击源造成的损伤,修理后强度恢复率较低。同时,单面挖补工艺的强度恢复率更高,修理质量更稳定,压缩破坏形式以基体和纤维的压缩为主;双面挖补工艺易产生应力集中,强度恢复率低,质量稳定性差,压缩破坏形式以分层为主。     

湿热环境对缝纫层合板及含孔板压缩性能的影响

通过干态、高温干态(150℃)和湿热环境下T300帘子布／QY9512缝纫孔板及层合板的压缩试验，了解到150℃的高温环境对这种缝纫层合板及含孔板的压缩强度影响微弱，而湿热环境下其压缩强度却明显降低，以至于缝纫在厚度方向的增强效果难以体现。     

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。     

面向纤维增强复合材料低速冲击损伤的非线性混合模型

基于连续介质损伤力学提出了一种纤维增强复合材料(Fiber reinforced polyrner/plastic,FRP)结构低速冲击损伤预测的渐进损伤模型,包含非线性剪应力应变关系和归一化的混合模式基体损伤演化,用来预测复合材料层合板低速冲击损伤。模型区分了纤维拉伸/压缩、纤维间拉伸/压缩4种层内损伤以及层间分层损伤;纤维间损伤起始由Puck失效准则预测,损伤演化由断裂面上的等效应变控制,失效判定时考虑了就位效应对强度的影响;模型中加入单元特征长度以消除计算结果对网格密度的依赖性。以[45_4/-45_8/45_4],[0_3/45/-45]_S和[45/-45/0_2/90/45/0_2/-45/45]_3三种铺层的复合材料层合板为例,预测了不同冲击能量下复合材料层合板的低速冲击损伤响应参数,试验结果证明了本文模型的有效性。     

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。     

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。     

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。     

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。     

受压脱层层板的有限元分析

受压复合材料脱层层合板的局部屈曲,在脱层尖端引起很大的应力集中,导致脱层扩展而发生破坏。本文利用一阶剪切的直线层板理论和折线层板理论,建立了一维受压脱层层合板的分析模型,进而根据虚裂纹闭合技术,得出了脱层尖端能量释放率各型分量G_Ⅰ,G_Ⅱ,G_Ⅲ的一维有限元计算表达式,并且验证了该方法的正确性。通过数值计算,讨论了外载、脱层长度和层板纤维铺层方向对能量释放率的影响。结果表明,脱层的扩展取决G_Ⅰ和G_Ⅱ,而C_Ⅲ的影响可以忽略不计。对于外载较大时发生的脱层扩展,很可能诱发层板的整体失稳,脱层的扩展将变成破坏性的快速扩展。     

Strength Prediction of Cruciform Specimen Under Biaxial Loading

In order to achieve a better understanding of failure behavior of cruciform specimen under different biaxial loading conditions,a three-dimensional finite element model is established with solid and interface elements.Maximum stress criterion,two Hashin-type criteria and the new proposed criteria are used to predict the strength of plain woven textile composites when biaxial loading ratio equals 1.Compared with experimental data,only the new proposed criteria can reach reasonable results.The applicability of the new proposed criteria is also verified by predicting the tensile and compressive strength of cruciform specimen under different biaxial loading ratios.Moreover,the introduction of interface element makes it more intuitive to recognize delamination failure.The shape of the predicted delamination failure region in the interface layer is similar to that of the failure region in neighboring entity layers,but the area of delamination failure region is a little larger.     

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。     

A Modified Cohesive Zone Model for Simulation of Delamination Behavior in Laminated Composites

Considering the promotion effect of interlaminar normal tensile stress and the inhibition effect of interlaminar normal compressive stress,two kinds of elimination initial criteria were proposed in this paper. Based on these two delamination initial criteria,a modified cohesive zone model(CZM) was established to simulate the delamination behavior in laminated composites. Numerical simulations of double cantilever beam(DCB),mixed-mode bending(MMB)and end notched flexure(ENF)tests were conducted. The results show that the proposed model can do a better job than common ones when it is used to predict laminates' delamination under interlaminar compression stress. Moreover,a factor r,named cohesive strength coefficient,was defined in this paper on account of the difference between cohesive strength and interlaminar fracture strength. With changing factor r,it shows that a moderate variation of cohesive strength will not cause significant influences on global load-displacement responses.Besides,in order to obtain a good balance between prediction accuracy and computational efficiency,there shall be two or three numerical elements within the cohesive zone.     

复合材料单排多钉连接三维累积损伤强度分析

机械连接是复合材料结构的主要连接形式,针对复合材料层合板单排多钉双剪联接接头,建立了静拉伸三维累积损伤模型,考虑了多种最终失效判定准则;考虑了单排钉不同的几何尺寸。结合有限元技术即应力分析、失效判定准则、损伤后材料性能退化及机械连接最终失效准则,对复合材料机械连接接头部位在静载作用下的累积损伤失效过程及各钉孔孔径的变化过程进行模拟分析。用该模型预测的结果与试验结果进行了比较分析,数值分析结果与试验结果比较一致。     

复合材料层合板的非同步固化翘曲变形分析

复合材料层合板在实际固化过程中因板内温度梯度的存在，各铺层内树脂的固化反应并非同步进行。这种非同步过程导致层合板内固化后残余应务的分布不同于经典分析方法的计算结果，使按对称铺层设计的层合板亦存在固化后翘变形。针对实际固化过程的非同步特征，文中给出一种基于弹性子叠层块的非同步固化过程描述模型，用此模型对非同步固化过程引起的对称层合板翘曲变形进行计算机模拟，分析树脂固化收缩率，固化过程中板内温度梯度，     

多向层合板中的脱层与超声检测成像

以碳纤维多向层合板结构的脱层现象为对象,本文解决了哪种情况是最有可能脱层,在什么临界条件容易出现脱层以及如何确定临界条件等问题.利用入射超声渡在碳纤维复合材料中产生的反射信息,分析反射回波的时间和回波幅频特性,利用坐标扫查器确定脱层方位,通过逐点扫描记录每一点声波特征,形成矩阵数据,绘成图像显示脱层区域的大小和方位,直观准确地再现了脱层的发生位置及大小.