复合材料平尾加筋壁板剪切稳定性

针对某型支线客机复合材料平尾加筋壁板结构选型需求,采用p型有限元分析手段考察了不同筋条与蒙皮剖面面积比例对复合材料平尾加筋壁板承受面内剪切性能的影响,并采用试验测试对有限元预测结果进行验证。研究表明:p型有限元分析方法可以高效的完成复合材料平尾加筋壁板剪切稳定性分析,预测的结果较为准确,采用的分析方法可行、分析模型准确有效;复合材料平尾加筋壁板在剪切载荷作用下的典型破坏模式为蒙皮剪切失稳所导致的蒙皮和筋条界面分离;在筋条剖面面积/蒙皮剖面面积近似相同情况下,复合材料平尾加筋壁板的蒙皮截面积决定其承受剪切载荷的性能,但对其屈曲模态几乎没有影响。     

任意铺层复合材料加筋板屈曲/后屈曲行为的解析解

给出了一种求解任意铺层复合材料加筋板屈曲/后屈曲问题的解析方法。首先将加筋板简化为受弹簧约束的层合板,而后通过构造位移函数,并利用伽辽金法得到了加筋板压缩、剪切和压剪载荷下的屈曲/后屈曲解析解。求解中引入了无量纲参数,使得结果更具一般性;在后屈曲行为中考虑了初始缺陷和由耦合刚度引起的前屈曲挠度,使得结果更加准确。通过与有限元结果的比较,讨论了几何参数、弹簧刚度等对解的影响。最后将该方法应用于T形加筋对称铺层复合材料加筋板的屈曲/后屈曲分析中,考虑T形筋对复合材料层板粘结区的刚度增强作用,采用刚度平均化方法引入增强效果,并与两种T形筋刚度简化模型以及有限元结果进行了比较,验证刚度平均化方法对计算加筋板屈曲/后屈曲行为的有效性。     

考虑筋条扭转弹性支持的轴压复合材料加筋板局部屈曲分析方法

考虑筋条的扭转弹性支持作用,采用里兹能量法建立了轴压复合材料加筋壁板蒙皮局部屈曲问题的理论模型。考虑筋条下缘条对蒙皮的影响,对该理论模型提出了一种改进计算方法。对典型复合材料加筋平板轴压局部失稳临界载荷进行算例分析,通过理论分析结果、试验结果和有限元仿真结果的比较,验证了本文方法的合理性。同时实验结果表明,采用本文方法可显著提高蒙皮局部屈曲载荷计算结果的精度。本文方法可用于复合材料加筋壁板蒙皮局部稳定性前期分析设计中。     

考虑界面滑移与剪切变形的钢-混凝土组合梁解析方法

为求解钢-混凝土组合梁在界面滑移与剪切变形双重影响下的变形与应力,本文引入Timoshenko梁双广义位移假定,建立了钢-混凝土简支组合梁弹性状态下的计算模型,并以跨中作用集中荷载为例,得到其全梁挠度与截面应力的解析解。同时对4根不同抗剪连接程度的钢-混凝土组合梁试验结果进行分析,与解析计算结果进行对比验证,并讨论了界面剪切刚度的取值对组合梁挠度的影响。结果表明理论计算所得挠度、应力均与试验值吻合良好;界面滑移将增大组合梁挠度,界面剪切刚度对这种增大效应有重要影响;在计算组合梁挠度时,忽略剪切变形在一定程度上不安全。     

一种超宽频共形天线结构的力学性能测试

共形天线结构是一种将机载天线集成到飞机复合材料结构中的集承载、维形、隐身及通信功能于一体的多功能结构。本文采用对数螺旋天线作为内植传感器件,设计并制造了一种超宽频共形天线结构,通过面内压缩试验和三点弯曲试验对该型共形天线结构的力学性能进行了考核测试。试验结果表明,超宽频共形天线结构具有更优的力学性能。相对于未植入天线的复合材料夹层结构,超宽频共形天线结构的面内压缩刚度提高了112%,面内压缩强度提高了95%,结构压缩破坏模式由单纯的面芯分离变成了多个胶接界面分离和芯体剪切破坏的复合破坏模式,且强度分散性变大;超宽频共形天线结构面外弯曲刚度提高了26%,面外弯曲强度提高了17%,弯曲破坏模式由上蒙皮与芯体间的大面积面芯分离变成了压头下部局部蒙皮折断和芯体塌陷。     

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。     

复合材料波纹腹板梁坠撞试验与数值模拟

为了探究复合材料波纹腹板梁在坠撞过程中的吸能性能，对复合材料波纹腹板梁试验件进行了动态冲击压溃试验研究，得到了试验件的损伤破坏形貌以及载荷和能量的历程曲线。基于ABAQUS/Explicit平台二次开发得到了模拟复合材料波纹腹板梁冲击压溃过程的仿真分析模型，模型采用了改进的Hashin损伤判定准则和Choi-Chang准则综合判断单元失效，并结合Cohesive界面单元，可较为真实地反映所研究复合材料层合结构的各向异性和渐进损伤特性。通过数值模拟得到了能量评估参数比吸能（Specific energy absorption, SEA）和平均压溃载荷，与试验结果进行了对比分析。基于仿真分析模型，本文进一步研究了不同波数的复合材料波纹腹板梁的吸能能力。数值模拟结果表明：波纹腹板梁在冲击载荷作用下发生了渐进压溃失效；平均压溃载荷的相对误差较小，验证了模型的有效性；在腹板单波长度不变的情况下，波纹腹板梁的长度对抗冲击吸能的影响较大。当波纹腹板梁长度较小时，结构容易失稳，无法有效地吸收能量。     

复合材料加筋壁板压缩屈曲与后屈曲分析

为了建立复合材料加筋壁板承受压缩载荷下屈曲、后屈曲和破坏整个失效过程的数值分析方法,对复合材料加筋壁板进行了压缩稳定性试验和有限元分析研究。采用特征值分析法对加筋壁板进行了屈曲分析,得到加筋壁板的屈曲模态、屈曲特征值及屈曲载荷;根据加载端的载荷-位移曲线采用弧长法(Riks),得到了弧长法的屈曲载荷及后屈曲承载路径;引入失效准则,得到后屈曲直至破坏的承载能力。对比两种有限元分析法与试验结果可以得到:加筋壁板的后屈曲承载能力很大,特征值法分析屈曲载荷较弧长法更精确,而弧长法可以更好模拟后屈曲行为,建立的分析法与试验结果吻合较好。     

复合材料机载天线罩有限元内力计算和屈曲稳定性分析

本文用有限元法计算了复合材料机载天线罩的内力,并对其进行了稳定性分析,得到了均布载荷作用下天线罩的内力和稳定性临界载荷及屈曲模态。文中选用轴对称截锥单元来离散天线罩,在应变向量阵中引入了横向剪切应变,从而考虑了剪切影响。为了避免剪切自锁,刚度的计算采用一点高斯积分法,几何刚度的推导采用Stricklin法。最终将稳定性问题归结为特征值问题。数值算例表明,对于复合材料旋转壳,横向剪切变形使其临界载荷降低;天线罩内力较大的区域集中在头部附近,失稳发生在根部附近,增加根部的厚度可改善天线罩的稳定性。     

起圈织物泡沫夹芯复合材料Ⅰ/Ⅱ型断裂韧性研究

夹芯复合材料在受到弯曲、剪切和冲击等载荷作用下易发生脱层损伤。脱层损伤程度与Ⅰ、Ⅱ型断裂韧性密切相关。起圈织物由于在其厚度方向引入环状纤维束，增强了与芯层的结合能力，使其在抗分层方面性能优良。本文主要研究起圈织物泡沫夹芯复合材料的Ⅰ/Ⅱ型界面断裂韧性。根据试验标准分别制作了平纹织物泡沫夹芯复合材料和起圈织物泡沫夹芯复合材料。采用双悬臂梁试验（Double cantilever beam, DCB）和末端缺口挠曲试验（End notch flexure, ENF）对上述试验件的增韧机理进行了研究。研究表明，环状纤维束的引入大大提高了界面性能。起圈结构相较于平纹结构的Ⅰ型断裂韧性GⅠC提高了434%，Ⅱ型断裂韧性GⅡC提高了400%。通过建立有限元模型，采用内聚力模型来描述裂纹的扩展，数值结果与试验结果吻合较好。     

真空辅助湿铺贴阶梯形挖补修理后层合板拉伸破坏模拟

对玻璃纤维增强复合材料真空辅助湿铺贴阶梯形挖补修理后层合板建立了三维有限元模型,进行了拉伸破坏模拟。发展了考虑剪切非线性的复合材料各向异性连续损伤力学模型,用于模拟母板与补片复合材料单向带失效。采用基于双线性cohesive本构的接触分析模拟了真空辅助湿铺贴阶梯形挖补修理后形成无厚度二次固化界面。数值模拟结果与试验结果吻合较好表明所采用的模型能很好地预测整个修理结构的拉伸性能。最后,分析了整个拉伸过程中层合板斜接挖补修理结构的损伤破坏过程。     

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.     

纤维增强韧性基体复合材料界面损伤分析

用基于内聚力的界面模型分析了纤维增强韧性基体复合材料的界面损伤,研究了连续纤维增强复合材料受横向荷载时,诸如纤维排布方式、纤维体积占有率以及纤维和机体模量比等细观参数对界面损伤和材料拉伸强度的影响.研究发现,当纤维体积占有率和纤维模量提高,以及纤维按四方排布时,虽然能增加复合材料刚度,但纤维与基体的界面更容易损伤.当界面脱粘现象存在时,复合材料的拉伸强度主要由界面强度决定.     

Nomex蜂窝芯静态压缩屈曲与后屈曲分析

基于自动铺丝工艺,为获得良好的蜂窝夹层结构自动铺放成型质量,建立了Nomex蜂窝芯在压辊压力下的屈曲、后屈曲和破坏整个失效过程的数值分析方法。采用线性屈曲分析法(特征值分析法)对蜂窝单元进行屈曲分析,得到一阶屈曲模态、屈曲特征值及屈曲载荷;引入初始结构几何缺陷,采用非线性屈曲分析法(弧长法)对Nomex蜂窝单元后屈曲行为进行分析,输出参考点RP-1的载荷-位移曲线,得到弧长法计算的屈曲载荷以及极限载荷值。通过对比试验结果与两种屈曲分析法得到:对于分析临界屈曲载荷,特征值法较弧长法更精确;而弧长法可以更好模拟结构的后屈曲行为,计算结果与试验数据基本吻合,为Nomex蜂窝夹心结构自动铺放成型过程中铺放压力的选取提供参考。     

外伸梁弯曲法确定薄膜界面力学性能

为了研究用外伸梁弯曲法确定薄膜/基体界面强度的可行性,采用零厚度内聚力单元来模拟薄膜/基体界面结合层的剥离失效。对外伸梁施加“加载-卸载”的载荷历程,利用加载过程中的界面开裂引起的能量耗散来表征界面能量释放率。采用二次名义应变准则和Benzeggagh-Kenane断裂准则来定义界面损伤演化和失效。研究结果表明,外伸梁弯曲法可以有效地测量薄膜杨氏模量和界面强度。文中提出的方法简便有效,具有一定的工程应用价值。     

复合材料缠绕接头几种受力状态的解析分析

针对复合材料缠绕接头,利用Airy 应力函数,推导出与其相关的缠绕圆筒受内外压力的应力解析表达式,进而对缠绕圆拱形梁受弯矩以及受均匀拉伸载荷、不同材质复合材料多层缠绕圆筒承受内外压力的应力分析方法进行了研究。文中讨论了接头内圆弧处应力集中系数随外/内径比值和环向/径向弹性模量比值的增加情况,并对复合材料缠绕接头的两种增强方法,即施加预应力或混杂材质缠绕进行了探讨     

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.     

带负扭转的复合材料桨叶蒙皮分层裂纹尖端场分析

蒙皮分层是复合材料浆叶疲劳破坏的主要形式.本文采用非线性桨叶结构模型,推导广义二雏下带负扭转的直升机菜叶蒙皮的位移方程及应力一应变关系;在此基础上,基于Stroh理论,采用各向异性界面断裂力学分析了蒙皮存在分层裂纹时裂尖应力场和位移场的渐近解.通过数值算例分析了离心力作用下带不同负扭转桨叶蒙皮分层裂尖的振荡系数、应力场及应力强度因子,所得结果合理,表明本文方法可以为复合材料菜叶蒙皮分层破坏提供分析依据.