低速冲击下复合材料层合板损伤试验与模拟

对复合材料层合板进行四种不同能量的低速冲击试验,测量了不同冲击能量下的凹坑深度,并利用超声C扫描获得了层合板分层形状和面积。依照试验条件,建立复合材料层合板低速冲击三维有限元模型,模型中分别采用hashin失效准则和界面单元模拟层内失效和层间损伤,结合试验与模拟结果,讨论了复合材料层合板在低速冲击下的损伤特征,以及冲击过程中层合板内部损伤的发生及演化规律。     

FRP层合板抗冲击能力与损伤面积的经验估计法

纤维增强树脂基复合材料（Fiber reinforced polymer, FRP）层合板的冲击损伤面积是衡量损伤严重程度的主要表征参数。本文依据冲击损伤演化特征将冲击损伤演化过程划分为4个阶段。基于弹簧-质量模型对FRP层合板产生初始分层的损伤门槛值进行计算，而后以一组对照试验确定层合板损伤面积随冲击能量的变化速率，最终建立了冲击损伤面积的经验估算模型。选取3种不同材料的冲击试验数据进行了统计验证，对比分析结果表明预测模型具有良好的预测精度，且计算简单。     

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。     

复合材料层合板冲击及冲击后疲劳寿命预测方法(英文)

现有含冲击损伤复合材料层合板的寿命预测方法是建立在冲击后复合材料层合板的疲劳性能基础之上的,导致模型和方法不具有通用性。因此,针对含冲击损伤的复合材料层合板,基于逐渐累积损伤理论和无损单向板的疲劳特性,建立一种具有普遍适用性的三维逐渐累积损伤的疲劳寿命预测方法。该方法可对不同铺层参数、不同几何尺寸以及不同冲击条件下层合板的疲劳寿命进行预测。为了在缺少冲击试验时也能实现受到冲击载荷后层合板的疲劳寿命预测,对层合板在冲击载荷及冲击后疲劳载荷作用下的破坏进行全程分析,将预测得到的冲击损伤状态用于分析冲击后的疲劳寿命。同时基于全程分析的方法,开发了参数化的复合材料层合结构冲击及冲击后疲劳破坏模拟程序。与试验对比,最大误差为7.78%。     

复合材料层合板冲击后剩余强度的工程估算方法和有限元模拟分析

为研究复合材料层合板冲击后剩余强度(CAI)的计算,本文给出了两种方法:工程估算和有限元预测.工程估算是将受冲击损伤的复合材料层合板简化为正交各向异性带孔板,按照Nuismer-Whitney平均应力准则,计算正交各向异性带圆孔板的破坏强度.作为层合板冲击后剩余强度的估算值.有限元方法则是采用Hashin失效准则和Tan的刚度降准则,在ABAQUS软件中自编UMAT材料损伤子程序,进行带孔层合板的损伤强度预估分析.结果表明,工程估算方法和有限元方法的计算结果均与试验结果相差不大,两种方法均可作为工程中估算剩余强度的有效方法.     

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.     

低速冲击复合材料层合板的机械修补参数研究

对于铺层材料为T300/双马树脂的复合材料层合板,研究了低速冲击损伤条件下机械修补的影响因素。考虑机械修补填充效应和装配干涉量、螺栓预紧力、界面摩擦力对修补强度的影响,针对低速冲击复合材料层合板的机械修补,建立了三维的有限元模型,有限元计算结果与实验结果吻合良好,从而机械修补模型是有效的。进一步有限元计算分析表明:1)金属填充装配的干涉量存在最优值;2)摩擦系数的增大可有效地提高修补结构压缩破坏强度;3)较大模量比修补结构的强度较小;4)存在最优的螺栓拧紧力矩,在此拧紧力矩下修补件的修补强度最高。     

冲头对层合板低能量冲击损伤有限元模拟精度的影响

为探索冲头对低能量冲击损伤有限元模拟精度的影响,基于连续损伤力学模型,采用基于应变的Hashin失效准则,并利用VUMAT子程序实现刚度折减,建立了预测复合材料层合板低能量冲击损伤的数值模型;并选用圆形和锥形冲头进行了落锤低能量冲击试验,测量了冲击损伤形貌。研究结果表明:低能量冲击条件下,模型可以较为准确的预测损伤深度及面积,但相较于圆形冲头,锥形冲头的预测精确度更高,且在25J≥冲击能量≥15J时,模型预测精度更高。     

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。     

复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤扩展特性

进行了碳纤维增强复合材料蜂窝夹芯板低速冲击试验及冲击后面内单向压缩试验,并采用解析解方法对含低速冲击损伤的复合材料蜂窝夹芯板在面内单向压载作用下的损伤扩展过程进行了预测与分析,分析结果与试验结果吻合较好.研究进一步扩展了解析解模型,使之能够预测和分析在面内双向拉压载荷作用下含低速冲击损伤的复合材料蜂窝夹芯结构的损伤扩展特性.分析结果表明,施加面内横向拉伸载荷会延迟复合材料蜂窝夹芯结构在面内纵向压载作用下低速冲击损伤扩展过程,从而提升结构在纵向的残余压缩强度.     

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.     

用人工神经网络模拟三维编织复合材料的力学性能

三维编织复合材料由于其材料结构及编织工艺的复杂性和众多工艺参数的影响，目前尚未建立成熟的力学模型。本文采用人工神经网络ＢＰ算法，将编织工艺参数作为人工神经网络的输入，将弹性模量及强度性能作为输出，建立了编织工艺参数与力学性能的人工神经网络关系模型，并讨论了ＢＰ算法及网络结构。这种人工神经网络关系模型对于三维编织复合材料的实验、生产和应用。工艺参数的选取以及理论模型的研究都有重要的参考价值。本文最后     

复合材料层合板疲劳寿命分析的系列单元失效模型

采用有限元方法发展了一个复合材料层合板疲劳寿命分析的系列单元失效模型,模型给出了复合材料层合板刚度退化、内部损伤和损伤累积规律,把层合板的失效过程模拟成单元刚度逐步退化、应力不断重新分布、单元损伤不断累积的动态过程。利用ANSYS软件进行了两个算例分析,分析预测结果与试验结果吻合较好。     

基于BP神经网络的复合材料性能预测

针对复合材料性能表征十分复杂、困难的情况,利用人工神经网络的BP算法,建立了复合材料性能预测模型。模型由3层神经元组成,分别为输入层、隐含层和输出层。以碳/陶瓷复合材料性能与成分的关系为研究对象,选取了38组实验数据作为学习样本,模型总误差为0.18,用建立的网络预测未知,并给出预报曲线。和试验值相比较表明,所建立的网络能反映碳/陶瓷复合材料组分与其材料性能之间的关系,为实验设计提供了新的思路,节省了时间和劳力。     

Damage Initiation and Propagation in Composites Subjected to Low-Velocity Impact:Experimental Results,3D Dynamic Damage Model,and FEM Simulations

A three-dimensional dynamic damage model that fits both small and large damage sizes is developed to predict impact damage initiation and propagation for each lamina of T300-carbon/epoxy laminations. First,13 specimens of the same lamination sequence are subjected to three different impact energies(10 J,15 J,and 20 J).After the impact,the laminates are inspected by the naked eye to observe the damage in the outer layers,and subsequently X-rayed to detect the inner damage. Next,the stress analysis of laminates subjected to impact loading is presented,based on the Hertz contact law and virtual displacement principle. Based on the analysis results,a threedimensional dynamic damage model is proposed,including the Hou failure criteria and Camanho stiffness degradation model,to predict the impact damage shape and area. The numerical predictions of the damage shape and area show a relatively reasonable agreement with the experiments. Finally,the impact damage initiation and propagation for each lamina are investigated using this damage model,and the results improve the understanding of the impact process.