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。     

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。     

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.     

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。     

复合材料层合板结构的广义强度准则

在试验研究的基础上,将复合材料层舍板看作一个"宏观各向异性板",提出了一种基于试验的复合材料层合板结构广义强度准则的二次完备表达式,并分析了表达式中各参数的试验求解方法.对3种典型铺层的层合板进行纵向拉伸、纵向压缩、横向拉伸、横向压缩、面内剪切等简单裁荷以及双向拉伸、拉剪组合(纵向、横向)等组合栽荷试验.给出了不同铺层形式下广义强度准则表达式中各项系数值.采用该强度准则预测复杂应力状态下的破坏应力与试验值吻合较好.     

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。     

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.     

复合材料单排多钉连接三维累积损伤强度分析

机械连接是复合材料结构的主要连接形式,针对复合材料层合板单排多钉双剪联接接头,建立了静拉伸三维累积损伤模型,考虑了多种最终失效判定准则;考虑了单排钉不同的几何尺寸。结合有限元技术即应力分析、失效判定准则、损伤后材料性能退化及机械连接最终失效准则,对复合材料机械连接接头部位在静载作用下的累积损伤失效过程及各钉孔孔径的变化过程进行模拟分析。用该模型预测的结果与试验结果进行了比较分析,数值分析结果与试验结果比较一致。     

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。     

失效准则和非线性对复合材料层合板螺栓连接失效强度的影响

建立二维复合材料螺栓连接累积损伤有限元模型.考虑接触关系,剪切非线性和材料刚度降低,针对三种不同的失效准则编制相应的损伤程序,对复合材料层合板螺栓连接件强度进行数值计算并与实验结果进行对比.研究结果表明,剪切非线性分析更合理,混合准则计算结果与实验结果吻合较好.     

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%。     

含中央分层缺陷层合板的压缩性能研究

通过考察层合板厚度(含铺层形式)、分层位置与大小等因素对压缩强度的影响,并采用局部屈曲、分层扩展以及软化夹杂等3种模型对含分层层合板的压缩强度进行了计算和破坏机理分析。得出如下结果:厚板对分层缺陷不敏感,中等厚度和薄层合板比较敏感;缺陷的位置和大小对层合板压缩强度的影响没有明显的规律可循;3种模型中软化夹杂模型效果较好,说明大部分含缺陷层合板的压缩过程具有分层扩展、基体开裂等损伤交杂在一起的特点,这导致了试件的破坏。     

复合材料疲劳性能的能量耗散试验研究

材料的损伤、屈服、断裂及破坏过程都是一个需要消耗能量的过程,材料的疲劳是.个耗散的过程.通过对T300/QY8911纤维增强复合材料层合板的疲劳试验,应用能量耗散方法对层合板的疲劳性能和损伤进行分析评估,并通过红外热像仪宏观监测试样表面平均温升的变化趋势.主要包括以下几个方面:1)分析铺层方式对能量耗散密度的影响以及能耗密度与材料疲劳性能和损伤的内在联系,发现能耗密度在初始循环阶段(约为循环寿命数的10%)随着循环数的增加上升较慢,在后一循环阶段出现急剧攀升趋势;2)通过监测试样表面甲均温升的变化趋势,发现试样表面温度的宏观变化趋势与能耗密度的变化趋势具有相似性.     

一种计算复合材料层合板面外应力的新型线性分析方法

复合材料层合板壳结构的面外应力对于层间分层的起始和扩展具有重要意义。首先简要地给出了经典的非协调位移有限元列式,然后基于修正的H-R变分原理导出了单元面外应力变量与位移变量的关系。面外应力的有限元线性系统为面外应力边界条件的引入提供了方便。同时,通过该线性系统可直接获得节点上唯一且连续的面外应力结果。与非协调位移有限元的结果比较,本文的方法可明显地提高数值结果的精度,且计算效率及资源要求均优于非协调辛元法和非协调广义混合元法。     

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.     

复合材料层板层间应力研究

用杂交应力元研究复合材料展板应力问题,尤其是层间应力分布规律,获得了若干有益的结论,数值算例表明,单元在层板分析中具有很高的精度.     

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.     

一种适合于分析复合材料层板的三维杂交应力超单元研究

本文基于三维弹性理论和Hellinger-Reissner变分原理,推导了一种适合于分析复合材料层板的三维杂交应力超单元。该单元不同于常规的三维单元,它将复合材料层板沿厚度方向划分成一个或几个单元,每个单元中所包含的层数可视精度和计算费用的要求而定。在应用应力杂交模型导出三维超单元时,本文首次提出一种场变量假设方法,即在超单元内独立假设位移场,而应力场则分层独立假设,因而单元能较好地模拟层合板的力学性能。考虑横向剪切变形和局部扭曲变形的影响,保证了单元分析的精度。同时由于单元的自由度数不随层数的增加而增加,避免了常规三维单元在分析复合材料层板时自由度数随层数的增加而增加的弊端。通过对几个典型的复合材料层板的静、动力分析及与试验的比较。表明了单元能有效地用于各种层板的分析。