纤维增强树脂基复合材料连接结构强度与失效分析

采用拉伸试验和有限元分析方法研究纤维增强树脂基复合材料螺栓连接与胶–螺混合连接结构的失效机理。通过拉伸–剪切试验分析其载荷–位移曲线,结合有限元仿真结果及断面微观结构变化分析其结构强度和失效机理。结果表明,螺栓连接结构孔周碳纤维丝束受到螺栓挤压力变形后传递给树脂基体。因此,呈现纤维屈曲变形,树脂基体由均匀分布状被断裂的纤维短束挤压变成团簇状,形成结构不均匀而出现薄弱区域。胶–螺混合连接结构呈现拉伸断裂式破坏,断口处碳纤维丝束在拉伸–剪切作用下从环氧树脂基体中拔出并损伤断裂,丝束方向杂乱排布。附着在碳纤维丝束周围的树脂基体从均匀分布状变为团聚状,连接结构在达到极限载荷之后出现拉伸断裂,呈现净截面破坏,并且在重新分配载荷之后板材之间的胶粘剂对纤维的破坏会起延滞作用。材料强度、螺栓强度、胶层强度及螺栓宽径比等因素均会成为影响连接结构失效破坏的因素。     

纤维增强涡轮轴结构失效模式分析方法及试验验证

针对连续纤维增强复合材料涡轮轴结构失效模式分析问题,基于宏-细观力学跨尺度分析方法,建立细观力学代表性体积元(RVE)模型,通过编程模拟实现模型的周期性边界条件,计算纤维增强复合材料应力响应,将其均值应力转化为真实应力,确定失效包线。建立连续纤维增强轴结构力学模型,计算轴结构在扭转载荷下的应力响应。通过复合材料层合板主偏轴关系应力转化,将危险单元各方向宏观应力响应计算结果转化到细观力学RVE模型上,即为细观力学RVE模型受载情况。结合细观力学失效边界确定复合材料轴结构危险位置失效模式,当扭转载荷达到5 000～5 500 N·m之间,复合材料最外层即层6(+45°)首先达到基体拉伸失效载荷。开展复合材料轴结构失效模式试验,在扭转载荷达到6 000 N·m时,声发射信号相互叠加,大部分均为中频信号,中频信号多为基体、界面开裂信号。与模拟仿真计算结果对比分析,验证连续纤维增强复合材料涡轮轴结构失效模式分析方法的有效性。利用所建立模型预测了某型发动机低压涡轮轴的失效载荷及失效模式。     

压-压疲劳载荷下CFRP层合板表面红外辐射特征

为探究含冲击损伤CFRP层合板在循环交变载荷下的损伤演化规律,基于热力耦合效应研究了含损伤CFRP层合板疲劳过程中的表面红外辐射特征。以压-压疲劳试验模拟交变载荷,采用红外热成像方法分析了疲劳过程中含损伤CFRP层合板的热图序列和温度数据,结果表明：随着疲劳次数的增加,损伤沿垂直疲劳载荷方向演化,热斑颜色逐渐加深,初始冲击损伤形状逐渐演化为椭圆状,最后热斑横向端部出现"尖点";试件最大表面温差演化整体呈"快速上升-缓慢上升-快速上升"规律,最后出现跳升,其中热斑尖点、最大表面温差跳升可被视为结构疲劳破坏的前兆;含损伤CFRP层合板疲劳破坏时,其最大表面温差主要与纤维和基体种类有关,而试件铺层方式相较于纤维基体类别对最大表面温差无明显影响。研究揭示了冲击后CFRP层合板在疲劳载荷作用下的损伤演化规律,为飞行器复合材料结构的剩余疲劳寿命评估与损伤容限设计奠定了基础。     

基于桥联模型预测层合板分层萌生载荷

层合板本质上由基体树脂将单层板粘在一起,其分层萌生必然从基体树脂破坏开始。基于此,通过分析基体树脂的破坏来预测层合板的分层萌生载荷,通过有限元计算出轴向拉伸载荷下层合板的应力场,沿厚度方向平均来消除自由边缘处层间应力的奇异性,之后根据桥联模型计算纤维和基体树脂应力,并用Mohr判据来判断基体树脂是否破坏。预测了T800/914层合板[±θn]s的分层萌生载荷,与实验结果吻合良好;本工作的最大优点是只需组分材料的性能即可预测层合板的分层萌生载荷。     

搭接长度对CFRP-Al双搭接接头应变分布和失效模式的影响

首先,采用碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）与Al制备不同搭接长度双搭接胶接试验件,利用万能试验机进行拉伸试验,获得载荷-位移曲线和胶接接头失效形貌。然后,依据试验数据,基于连续损伤力学模型和3D Hashin失效判据模拟CFRP层合板损伤与演化,使用内聚力模型模拟胶层和基体损伤,获得CFRP层间应力分布与截面应力分布曲线。最后,在此基础上分析不同搭接长度下双搭接接头载荷-位移曲线与接头破坏模式,研究CFRP内部铺层应力分布对失效形貌影响,探究不同搭接长度下双搭接接头破坏机制。结果表明：搭接长度由20 mm增加至40 mm时,胶接接头力学性能显著提高;搭接长度大于40 mm后,搭接长度对力学性能的影响逐渐减弱。拉伸载荷导致90°纤维附近基体的1和2方向应力较大,产生应力集中,接头发生剪切与剥离破坏。双搭接接头失效过程为一侧发生剪切与剥离破坏,接头转变为单搭接结构,之后瞬间发生失稳,较大的剥离力使接头另一侧发生破坏。     

整体成型复合材料模型机翼设计、制造与验证

根据给定的外形设计了四种不同结构形式的复合材料模型机翼,通过对所采用树脂基体的化学流变特性的研究,确定其最佳固化工艺条件.采用整体成型技术制备了四种全复合材料模型机翼,并进行了三点弯曲试验.结果表明,工字梁结构形式的模型机翼具有最高的载荷重量比,其次为C型梁机翼,而蒙皮-夹芯机翼的载荷重量比最小.其中,蒙皮-夹芯模型机翼在测试中表现为加载点上蒙皮压缩破坏;蒙皮-加筋机翼则表现为支点处的剪切破坏;梁式结构机翼均表现为支点与加载点中间的前缘剪切破坏.采用有限元分析模型机翼的强度与破坏过程,其结果与试验结果吻合良好.     

复合材料C型柱轴压失效分析的层合壳建模方法

由于易于设计、制造以及承载效率高,C型柱作为一种典型的垂向支撑结构,大量应用于大型运输类飞机货舱地板下部。以复合材料C型柱结构为对象,并结合复合材料C型柱轴向压缩试验,旨在发展其在轴向压缩载荷下失效分析的有限元方法。首先,对材料模型的应力-应变曲线进行参数化研究,明确Lavadèze材料单层模型、Puck IFF基体失效准则和Yamada Sun纤维失效准则中参数的物理意义并给出取值建议。其次,建立"层合壳"模型,模拟轴向压缩载荷下破坏失效的力学行为,并与试验结果进行对比分析。研究结果表明,该建模方法能够较好地模拟渐进压缩破坏过程,平均压缩载荷、比吸能的预测值与试验结果具有较好的一致性。     

含孔复合材料圆柱壳冲击破坏试验与有限元分析

 为了揭示轴向压缩载荷与径向冲击载荷共同作用下复合材料壳体开孔处裂纹的产生机理,开展了含圆孔复合材料圆柱壳冲击试验,并对冲击试验进行了有限元仿真分析。提出复杂冲击载荷作用下的动态响应分析方法,运用LS-DYNA对冲击载荷作用下含圆孔复合材料圆柱壳动态响应过程进行了模拟,采用含刚度退化的Chang-Chang失效准则预测复合材料圆柱壳破坏过程,得到的冲击加速度响应曲线及破坏区域与试验结果一致,验证了本文方法的正确性。对有限元模型进行动力学及静力学破坏分析,结果表明,径向冲击引起的环向拉应力是圆孔边缘破坏区域90°铺层纤维断裂与基体开裂的主要原因,而拉应力只引起0°铺层基体开裂。由破坏起始分析可知,将复合材料圆柱壳90°铺层含量由20%提高至50%,可使结构承载能力增加56%。     

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。     

航空复合材料加筋板压缩屈曲及后屈曲性能

开展了航空复合材料加筋板压缩试验,得到了加筋板的屈曲载荷、破坏载荷及破坏模式.加筋板平均屈曲载荷和平均破坏载荷分别为587.5,968.25kN,后者是前者的1.65倍,表明加筋板在压缩载荷下存在较强的后屈曲承载能力,其破坏模式主要是筋条的脱黏、断裂以及壁板的撕裂,破坏位置通常在加筋板中部.应用有限元软件得到了加筋板的屈曲载荷、破坏载荷及后屈曲损伤过程,其中屈曲载荷、破坏载荷与试验结果较吻合,误差分别为-9.97%和8.45%,验证了有限元模型的有效性.研究了加筋板纤维和基体出现损伤的先后顺序,结果表明在后屈曲过程中加筋板纤维先于基体出现损伤,尤其是筋条中部纤维的损伤最为严重,加筋板破坏之前基体基本不存在损伤.      

Ω型加筋壁板连接结构在拉伸载荷下的破坏研究

考察机身收缩段的复合材料Ω型加筋壁板前段和后段连接结构在拉伸载荷下的承载能力,开展了拉伸破坏试验研究。试验件为壁板与框呈75°夹角的倾斜结构,试验考核了加筋壁板、连接框、连接角盒和紧固件的应变水平、试验件的载荷-位移曲线和破坏载荷。试验结果表明,Ω型加筋壁板前后段连接结构在拉伸载荷下,角盒和框的连接处的紧固件以及框的转角处最先发生破坏。试验结果可作为飞行机身复合材料结构连接的设计和评定依据。     

直升机桨叶结构载荷校准过程中的预扭角确定方法

给出了一种直升机桨叶结构载荷校准过程中的预扭角确定方法。首先,介绍了试验原理,试验设计为在桨叶摆振方向小角度范围内加载,计算桨叶剖面在摆振方向加载时对应剖面的挥舞弯矩输出,在线弹性范围内,理论分析了挥舞弯矩电桥的输出结果与摆振竖直方向角度的线性关系;其次,以某型直升机桨叶为例,应用电阻应变计法,采用机载CAM500系列测试设备,完成了对其桨叶剖面预扭角的确定实践,验证了方法的正确性和准确性,为直升机桨叶结构载荷校准提供技术支持。     

碳纤维增强复合材料结构阻尼性能研究

碳纤维增强复合材料的阻尼性能对所应用结构的动态承载能力、可靠性和安全性有重要影响。复合材料阻尼机理复杂,很难采用理论方法研究。本文基于瞬态激励法原理,设计了悬臂梁振动试验,利用有理分式多项式法提取试样的模态频率和模态损耗因子。分别对603和603A两种树脂基体,各三种T300纤维铺层方向的复合材料试样进行了振动测试,获得了材料1 kHz以内的动刚度和阻尼特性。结果表明,基体材料组分和纤维铺层方向对碳纤维增强复合材料的结构刚度和阻尼性能有重要影响;603A基体的碳纤维增强复合材料具有较603基体材料更好的损耗因子。铺层方向对结构阻尼的影响主要是通过对结构刚度的影响而体现出来的,不同纤维铺层方向的复合材料试样刚度差别很大。     

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。     

三维浅交弯联机织复合材料准静态冲击性能有限元模拟

借助绘图软件PRO/E构建出用于研究冲击性能的三层三维浅交弯联机织复合材料及冲头的结构模型,并利用有限元软件ANSYS对其力学性能进行模拟分析。分别表征复合材料中纤维、树脂基体的应力应变分布情况,并预测复合材料的冲击破坏形式。结果表明,在准静态冲击载荷的作用下,复合材料在冲头冲击的位置形成贯穿性损伤;纤维表现出较大的冲击应力,树脂基体表现出较大的冲击应变;冲击破坏模式主要为复合材料的变形引起的贯穿性破坏,包括纤维的断裂、树脂的破碎及纤维与树脂间的脱粘。     

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.     

压差载荷对蜂窝夹层结构分层扩展影响研究

复合材料蜂窝夹层结构随飞机起飞-巡航-降落过程中,反复经受内外压差载荷。为研究地空地压差载荷对复合材料蜂窝夹层结构中蒙皮和蜂窝之间胶接面分层扩展行为的影响,设计了可叠加压差疲劳载荷谱和压缩疲劳载荷谱的试验装置,对含预埋分层的复合材料蜂窝夹层平板开展了重复载荷试验研究,一组试验施加压缩疲劳载荷谱,另一组试验施加压缩疲劳载荷谱叠加地空地压差载荷谱。破坏试验件的剖切检查表明预埋分层沿垂直于压缩载荷方向在胶接层内扩展。在约80%极限载荷水平的压缩疲劳载荷谱下,分层初始经历一段缓慢扩展,达到一定程度后开始加速扩展直至破坏。叠加的压差载荷谱使分层扩展速率显著加快。基于试验构型的有限元仿真分析表明压差载荷作用下蒙皮与蜂窝之间的面外剥离应力是导致损伤扩展加快的主要原因。     

先进复合材料ＡＧＳ结构损伤扩展分析

基于精细加筋单元模型提出了一种用于先进复合材料格栅加筋(AGS)结构的损伤启始和扩展分析方法.该方法同时考虑了层内损伤和层间损伤,其中,层内损伤包括蒙皮纤维破坏、蒙皮基体开裂、蒙皮纤维-基体剪切破坏以及肋骨纤维破坏,而层间损伤为蒙皮分层损伤.对于层内损伤采用材料常数退化准则;而对于分层损伤,提出了一种新的等效刚度退化准则.通过典型算例证明了该损伤模型用于AGS结构分析的有效性,并详细分析了中心含孔复合材料正交各向异性格栅加筋曲板和光板在轴压下的损伤扩展机理和行为.计算结果表明,蒙皮层内损伤往往先于分层损伤发生并扩展,纤维-基体剪切破坏在45铺层扩展速度最快,分层损伤区域极易发生局部蒙皮失稳.     

基于原位拉伸的推进剂/衬层界面力学性能研究

为了解释某种HTPB复合固体推进剂/衬层粘接试件载荷-位移曲线的"双峰"特征,设计了一种基于推进剂/衬层微型试件的原位拉伸试验方法,根据界面细观破坏形态与载荷变化过程,提出了界面处颗粒脱湿及基体断裂过程分别对应两个载荷峰的假设。采用改进的并联Maxwell元件模型对界面断裂行为进行了模拟计算,重现了断裂过程的载荷-位移曲线的"双峰"特征,验证了假设的合理性。通过模拟计算实测曲线,给出了推进剂基体与颗粒之间的近似粘接强度等参数,为推进剂/衬层粘接系统细观材料参数计算方法提供了一种参考。     

复合材料层合板单排多钉双剪联接接头强度分析

双剪联接接头是复合材料结构连接设计的主要环节。针对T300/KH304复合材料层合板的单排多钉双剪联接接头,考虑到孔间距离对接头强度的影响,用三维有限元模型对接头的静强度进行数值分析。以应力分析为基础,采用Yamada-Sun准则预测了该层合板结构双剪联接接头的破坏载荷。试验结果表明,该接头的破坏模式主要呈现为挤压破坏,并伴随有净拉伸和剪切破坏模式;接头的位移——载荷曲线近似为直线;Yamada-Sun准则可以较好地预测该结构的破坏载荷;所预测的接头的破坏载荷及破坏模式,试验结果与数值分析结果比较一致。