复合材料加筋层合板结构分层扩展分析

采用基于模式混合度的分层扩展准则,研究了复合材料加筋层合板结构分层扩展力学行为,分析了铺层方式对复合材料层合板结构界面力学性能的影响。首先,由计算所得分层前缘处的应变能释放率分量计算求得模式混合度;然后,将其代入材料断裂韧性函数及分层扩展量计算公式,进而预测复合材料加筋层合板结构的分层起始及其扩展行为。并通过对规则对称正交铺层、反对称铺层与用于V-22飞行器结构中的铺层方式下的层合板分层扩展行为进行比较,验证了该方法的有效性。     

复合材料界面裂纹尖端应变能释放率及模态混合度计算

为了准确预测复合材料层合板分层扩展及疲劳损伤,应用改进的虚裂纹闭合技术计算复合材料分层尖端处应变能释放率及模态混合度.首先介绍了改进的虚裂纹闭合技术,然后将其应用到重合网格法中,求得了分层尖端处总应变能释放率,并提取了各模态下的应变能释放率分量.最后利用某界面裂纹模型验证了该方法计算应变能释放率、模态混合度及提取应变能释放率分量的有效性.     

高温对复合材料长期性能影响的建模方法

聚合物基复合材料比金属或金属合金具有重量轻及耐高温的性能。但聚合物较大多数金属构件对裂缝更为敏感。在90°铺层中,横向、裂纹会使复合材料刚度和强度严重地削弱,最终导致基体结构破坏。为了发展高性能复合材料,研究了二种复合材料层板K3B/IM6和X5260/G40-800(此材料由波音公司出资,杜邦公司研究)。 该文介绍正交层合板中横向裂纹的机理。推导了一种模式来模拟系统的破坏机理。应用有限元程序分析由于横向裂纹引起的应变能的释放率,并采用弹性断裂力学准则为裂纹开始破坏建立临界条件。用此模型描述包括裂纹机理在内的主要因素的影响。把一些预期的参数影响与实验数据作了比较。     

铺层结构对复合材料层合板固有频率的影响

搭建四角简支的复合材料层合板的模态振动实验平台。使用锤击单点激励法获取层合板不同测点位处的频响函数;利用DHDAS动态信号分析系统测得不同铺层结构复合材料层合板的前三阶固有频率,及对应的振型;进一步分析铺层结构对复合材料层合板的振动特性的影响。结果表明,改变测点位置对层合板整体的固有频率影响较小;复合材料层合板的铺层结构对固有频率有很大影响;[0°/90°/±45°]s4铺层结构的层合板的抗冲击性最强、结构整体的刚度最高。     

层合板斜面形胶接挖补修理力学性能试验研究

对斜面形胶接挖补修理后层合板的拉伸性能和弯曲性能进行了试验研究,分析了挖补斜度、铺层角度对修理后层合板拉伸和弯曲强度及破坏形貌的影响,修理后试件强度与完好试件进行对比,了解影响因素的作用及挖补修理的恢复效率。试验结果表明:[0/90]_(4S)铺层试件拉伸强度恢复率为16.63%～50.75%,弯曲强度恢复率为39.50%～62.58%;[±45]_(4S)铺层的试件拉伸强度恢复率为45.55%～69.89%,弯曲强度恢复率为77.45%～109.88%。不同铺层角度和挖补斜度的试件表现出不同的破坏形貌,各类型试件主要的失效模式为胶层失效和纤维撕裂,挖补斜度较小时,表现为胶层失效;挖补斜度较大时,并伴随有纤维撕裂;随着挖补斜度的增大,撕裂现象愈加严重,撕裂方向主要沿着原试件铺层方向。试验结果可为实际挖补修理工艺优化提供依据和指导。     

阶梯式胶接连接复合材料连接效率评价

对阶梯式胶接连接复合材料层合板的拉伸性能和弯曲性能进行了试验研究,分析了铺层角度、搭接长度对胶接连接后层合板拉伸和弯曲强度连接效率及失效模式的影响。试验结果表明,搭接长度对试件的刚度影响较小,强度影响较大,随着搭接长度的增加,连接效率逐渐增大;[0/90]4S铺层试件拉伸和弯曲强度的最大连接效率分别为23.5%和34.7%,[±45]4S铺层试件拉伸和弯曲强度最大连接效率分别为37.2%和106.0%;与斜接式胶接连接复合材料相比,阶梯式胶接连接效率低于斜接式胶接连接效率,[±45]4S铺层试件连接效率优于[0/90]4S铺层试件连接效率;拉伸试件主要的失效模式为胶层失效、分层失效和纤维撕裂。搭接长度较小的弯曲试件容易在胶接处断开,出现胶层失效和纤维撕裂,搭接长度较大的弯曲试件胶接处未完全断开,出现分层失效。     

炭纤维层合板和铝合金板阶梯形胶接接头拉伸失效实验

对炭纤维层合板和铝合金板阶梯形胶接接头的拉伸失效损伤进行了实验研究,分析了搭接长度、粘接体厚度、胶层缺陷、层合板铺层方式对失效载荷、接头强度和失效模式的影响。实验结果表明,失效载荷随着搭接长度的增加而增大,接头强度随着搭接长度的增加而减小;粘接体厚度增大2倍时,接头强度与粘接体厚度并不成正比关系。在胶层内设置微小缺陷对接头强度影响较小,随着搭接长度的增加,影响变得越来越小;增加层合板单向纤维的铺层数,可提高接头的失效载荷和接头强度;各类型试件主要的失效模式为分层失效,有时并伴随有胶层失效和纤维撕裂现象。     

粘弹性应变能释放率的虚拟网格计算方法

应变能释放率是粘弹性裂纹扩展判断的重要依据。为了解决低质量网格条件下的高精度粘弹性应变能释放率的数值计算问题,提出了裂纹尖端虚拟网格方法。在原始网格位移场基础上通过插值手段获得虚拟网格位移场、应力及应变场分布;基于虚拟网格信息并结合虚拟裂纹闭合方法,开展应变能释放率的数值计算。虚拟网格方法在应对裂纹扩展过程中任意复杂网格形式的同时,不再需要对原始裂纹尖端进行精细网格划分。两种典型断裂模式下的算例仿真结果表明,全积分形式的虚拟网格方法可以实现低泊松比条件下应变能释放率的高精度数值计算,相对误差均在5%以内。为了应对高泊松比下的断裂问题,设计了虚拟网格方法的缩减积分方案;缩减积分方案下的应变能释放率相对误差在1%左右,计算精度较全积分方案大幅提高。     

复合材料层合板的低能冲击损伤及剩余拉伸强度研究

针对复合材料层合板的冲击及冲击后的拉伸过程提出了一种全程分析方法。该方法应用三维逐渐累积损伤理论对层合板的冲击及冲击后含损伤层合板在拉伸载荷下损伤破坏的全过程进行分析,分析中没有对冲击后层合板的损伤状态做人为假设,而是把冲击后层合板的实际损伤状态直接用于剩余拉伸强度研究,从而不仅提高了最终失效载荷的预测精度,而且避免了为获得冲击后损伤状态参数所进行的大量试验,同时开发了模拟程序,该程序可以预测任意铺层角度、铺层厚度的层合板在冲击载荷及冲击后拉伸载荷下的逐渐损伤破坏过程和最终失效载荷。通过与已有文献结果进行比较,验证了方法及程序的正确性。     

碳/环氧复合材料层板基体裂纹的检测与分析

本工作从实验和计算两方面测算碳/环氧复合村料在拉伸载荷下,[0/90]s、[±45]_(s),]11=11]碳布三种层板基体裂纹发生的形式和应变水平,以期能预测不同裂纹产生的载荷门槛值。结果表明:采用声发射技术跟踪配合显微观测碳/环氧层板初始损伤(基体裂纹、脱层等)的应力水平,并采用能量判据有限无计算裂纹扩展的临界应变能释放率,计算和实验结果比较,符合较好。     

炭布高温处理对2D-C/C分层缺陷的影响研究

研究了炭布高温处理对二维炭／炭复合材料(2D-C／C)分层缺陷的影响。分析了炭布处理前后炭纤维的元素及表面形貌；测试了炭布处理前后树脂基复合材料(PMC)、炭化后2D-C／C及致密后2D-C／C的层剪强度、密度、开孔率等；采用金相显微镜表征了2D-C／C的分层缺陷。结果表明，炭纤维(布)经高温处理后，其表面含氧量下降，含碳量提高，表面粗糙度增大，惰性增大；炭布高温处理降低了树脂基复合材料的ILSS．炭化后2D-C／C表现出低密度和高开孔率，炭化收缩量小、热应力小及炭化不分层等特点。     

3D复合材料中非线性纤维搭桥下脱层的屈曲和初始后屈曲

建立了缝纫层合板和编织复合材料等3D复合材料中非线性纤维搭桥下脱层屈曲的计算模型,根据最小总势能原理分析了脱层屈曲和初始后屈曲问题,得出了非线性纤维搭桥下脱层屈曲的一些重要特征,预报了强化型非线性搭桥脱层初始后屈曲的稳定性和软化型搭桥初始后屈曲的不稳定性。     

增韧剂含量对国产高强中模炭纤维环氧复合材料耐冲击性能的影响

采用国产CCF800H高强中模炭纤维增强高温固化环氧制备了复合材料,研究了不同热塑粉料含量对复合材料抗低速冲击及冲击后压缩性能的影响。研究表明,采用层间增韧方式,随着聚芳醚酰亚胺含量的提高,层合板的损伤阈值载荷值(DTL)逐步提高,而DTL峰值与谷底之间的载荷差值逐渐降低,内部损伤区域逐渐减少,显示冲击阻抗提高,而损伤形式由大面积的分层逐渐转变为树脂基体开裂与增强纤维断裂的模式,冲击后压缩强度(CAI)获得显著提升,证明采用层间增韧技术获得的高韧相结构能够大幅提升层合板耐低速冲击性能。     

复合材料脱层屈曲的摄动解

用摄动法求解了３Ｄ复合材料中有纤维搭桥的圆形脱层的屈曲问题。搭桥纤维被视为连续分布于脱层屈曲上的线性弹簧，给出了脱层屈曲介载荷，挠度曲线与脱层半径、塔桥因子等的封闭关系式。根据支夹支－边界条件以及脱层只能向一个方向挠曲的约束条件，导出了一个特征长度α＾３，当脱导出α＾＊时，支屈曲时将发生靠近边界区域的接触现象，当脱导 地α＾＊时，地 曲将跨越整个支区域，并随着半径的减小，脱层屈曲的临界载荷将逐渐提     

复合材料层合板的可靠性分析方法

基于复合材料层合板的一阶横向剪切变形理论,提出了同时考虑层合板面内和分层破坏的可靠性分析方法。该方法考虑了层间应力对层合板分层的影响,结合Tsai-Hill理论和层合板分层判据,给出了安全余量的表达形式,并考虑了各失效模式之间的相关性。在失效分析过程中,采用蔡氏所提出的刚度退化规律进行刚阵的减缩;利用随机有限元方法对安全余量进行敏度分析,结合改进的一次二阶矩法求解可靠性指标;用改进的分枝限界法寻找主要失效路径;用PNET法计算系统失效概率。计算表明,当考虑分层失效时结构系统失效概率有所增加,这是符合工程实际情况的。因此,设计过程中考虑分层失效是必要的。     

基于ABAQUS的复合材料网格筒分层破坏分析

复合材料网格筒结构由于极优的高比强度及比刚度特性,在运载火箭、飞机、卫星等航空航天结构中得到广泛应用。采用ABAQUS对复合材料网格筒结构进行精细化建模,详细分析了复合材料网格筒中的应力分布、分层破坏形式,研究了网格分层破坏出现的位置及对其整体刚度的影响。对网格筒桁条交界处的应力进行详细分析,研究了工艺缺陷对其破坏模式的影响。根据整体分析结果及局部分析结果,设计了承载能力为3500kN,质量为30kg的复合材料网格筒结构。研究成果将为复合材料结构网格筒的分析及设计提供参考。     

ARALL层板分层破坏的研究

本文通过ＷＴＤＣＢ方法研究了胶粘剂韧性对ＡＲＡＬＬ层板Ⅰ型断裂破坏行为的影响，并对其裂纹扩展速率进行了计算及预测。结果表明，层板的Ⅰ型断裂均为多重混合型破坏，主要发生于芳纶／胶粘剂区域。铝／胶粘剂界面是强界面。改善胶粘剂与芳纶的界面粘合状况、提高胶粘剂的韧性是提高ＡＲＡＬＬ层板层间性能的有效途径。     

几种高性能纤维的表面性能及其对界面粘接的影响

分别使用扫描电镜和X射线光电子能谱仪，对T-800炭纤雏、F-12有机纤维及新型超高强度PBO纤雏(聚对苯撑苯并双嗯唑)进行了物理与化学表征和分析，用SEM观察得出这三种纤雏表面物理形态差别清晰可见，T-800纤雏表面沟槽深且直径小，PBO纤雏表面极光滑且直径中等，F-12纤维直径最大且表面有微小沟槽。XPS定量分析表明，这三种纤维表面活性也不一样，T-800纤维表面活性较多，PBO纤维表面活性最差。纤维表面状态的差异体现在它们与树脂复合后的材料界面粘接性能上，T-800纤维的界面剪切强度(IFSS)高，F-12纤雏次之，PBO纤雏最差。