分层缺陷对复合材料壳体裙连接区轴向承载性能影响分析

为掌握固体发动机复合材料壳体裙连接区在复合材料界面分层缺陷状态下的承载性能,基于损伤失效分析方法研究了裙连接区不同界面、不同位置存在不同大小的复合材料分层/脱粘缺陷时的承载能力,分析了缺陷对裙连接区结构局部屈曲、裂纹扩展及损伤失效的影响规律。结果表明,复合材料层间界面存在临界缺陷尺寸,当缺陷小于临界尺寸时,结构承载能力基本不变,当缺陷大于该临界尺寸时,连接区的失效形式和极限载荷均受到较大影响;对于复合材料轴向补强层与环向缠绕层之间的初始分层缺陷而言,当缺陷位置处于裙连接区过渡层轴向位置之后时,裙连接区的承载方式无明显变化,仍受整体屈曲的控制;但缺陷位置与裙连接区过渡层轴向位置相同时,则易发生局部屈曲,对连接区承载能力影响较大。     

复合材料层合板热-力作用下的失效研究

碳纤维复合材料力学性能优异,在航空航天等领域广泛使用,其在热-力联合作用下的损伤失效研究对于结构的损伤破坏和强度预测具有重要意义。发展了热力耦合条件下复合材料结构渐进损伤分析方法,建立了三维有限元热烧蚀模型,并验证了计算模型的可靠性;采用三维Hashin失效准则,结合材料刚度突然退化模式,建立了失效分析模型,仿真分析了热-力联合作用下复合材料层合板损伤演化全过程。结果表明,该方法不仅能够较好地模拟复合材料层合板从局部失效的萌生、扩展直至结构完全失效的全过程,而且可以直观地显示结构的损伤失效模式,预测结构在不同条件下的承载能力。     

基于FEA的复合材料结构极限承载失效预测

针对复合材料层合板失效分析，基于经典层合板理论与一阶剪切变形理论，通过层合板等效刚度以及各单层板的应力应变建立了一种并行多尺度方法，并基于此方法采用FORTRAN语言编写了子程序，通过与试验结果以及有限元分析 (Finite Element Analysis,FEA)软件内嵌的复合材料失效模型进行对比，证实了并行多尺度方法的可行性，实现了对复合材料层合板在多种工况情况下的渐进损伤分析。     

复合材料径向和轴向螺栓连接失效预测方法及失效模式分析

大型火箭舱段间的复合材料端框连接主要由径向螺栓连接和轴向螺栓连接组成，设计了不同铺层和几何尺寸的连接试验件，并通过试验获得了失效载荷和失效形式。然后，选择了3种渐进损伤方法进行了连接结构的失效预测，并将预测结果与试验结果进行比较，结果表明：采用基于细观力学的复合材料渐进损伤方法，15组径向连接试验件失效载荷计算误差最大为17.3％；4组轴向连接失效载荷计算误差最大7.4％；预测的失效形式与试验结果接近，为连接结构确定了合适的失效预测方法。采用数值分析结果揭示了复合材料单向层的主要失效模式。为复合材料端框连接的设计研究提供了可用的失效预测方法及详细的失效模式分析结果。     

斜胶接CFRP的冲击损伤容限研究

首先,提出了复合材料胶接修补结构与胶接装配结构的冲击损伤容限问题,指出该类结构冲击后拉伸承载能力需要关注。然后,选用基于中心差分法的显式有限元和基于D-B模型的内聚力单元法,以二次名义应力准则为胶层损伤起始准则,并采用混合型幂准则形式的能量释放率准则作为胶层破坏准则。对无损斜胶接CFRP的拉伸基准进行了确定,指出破坏位置、破坏形式和破坏载荷。另外,选取5个典型位置进行损伤容限敏感性的位置研究。在敏感性最高的位置,用不同能量级别的冲击进行胶层损伤分析,并将冲击损伤引入拉伸模型,进行冲击后剩余承载能力规律研究。     

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。     

破片速度对碳纤维层合板冲击损伤的影响

为提升战斗部破片对航空复合材料结构的毁伤效果,采用空气炮冲击、数值仿真、战斗部静爆试验等手段,研究了层合板冲击损伤类型和分层面积随破片速度的变化规律,并分析了损伤机理。研究表明:层合板冲击损伤类型、机理和程度,与破片速度和层合板冲击临界速度(即冲击物穿透层合板的最小速度)的相对大小有关。在本文试验速度范围内,当破片速度小于层合板冲击临界速度时,造成背面裂缝型损伤,分层面积随破片速度增大而增大;当破片速度略大于层合板冲击临界速度时,造成背面炸裂型损伤,分层损伤范围最大;而更高的破片速度则造成切孔型损伤,分层损伤面积随破片速度的增大而减小,并趋近于切孔面积。为提高对复合材料结构的毁伤效果,应使破片着靶速度略大于层合板的冲击临界速度。     

航天器冲击防护用热塑性仿生复合材料的弯曲性能研究

模仿自然界中甲壳类动物外骨骼内的螺旋铺层微结构,采用3D打印制备得到螺旋铺层仿生复合材料,分析其在三点弯曲载荷下的力学性能并与工程中常见的准各向同性复合材料进行对比。实验结果显示:仿生复合材料的弯曲性能及失效形式明显区别于传统铺层方案,在弯曲载荷下不易产生分层,结构可在受损伤条件下较长阶段内保持一定的承载能力。结合裂纹扩展过程中对裂纹形貌的显微观察,进一步揭示了该仿生复合材料强韧性的机理。研究结果可为该种仿生复合材料的工程应用提供参考。     

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。     

复合材料层合板激光烧蚀后的三维逐渐损伤分析

基于ANSYS平台,针对复合材料层合板经激光烧蚀后造成损伤,建立参数化三维逐渐损伤模型对其进行强度分析.采用宏观应力的三维Hashin失效准则,判定层合板材料的损伤模式;对层合板材料性能进行逐步退化,运用总体破坏准则判定其失效.分析过程中,综合考虑了不同损伤模式及其相互关联性.结果表明,该方法能较好预测含损伤复合材料层合板的强度及破坏模式.