复合材料加筋壁板有限元建模与强度分析

运用基于工艺的“laminate modeler”模块创建了复合材料铺层和加筋层合板的三维有限元模型.介绍了一种体单元与壳单元节点融合的方法.以不同的相对节点间距对加筋层合板模型进行了有限元网格划分,采用结构最大Von Mises应力作为标准进行了收敛性分析,得到了一个可适用于其他类似加筋板模型网格创建的合理相对节点间距值1/72.应力计算表明,集中载荷作用下复合材料加筋壁板的初始损伤发生于第八铺层材料主方向的2方向,损伤模式为基体拉伸开裂.发生初始损伤时加筋板结构的极限载荷为75 N.应力集中区较小,且主要分布于载荷作用点附近.集中载荷作用下加筋板的承载效率较低.     

单向玻璃纤维增强树脂基体复合材料拉伸失效机理

应用ANSYS有限元商用软件,建立单向玻璃纤维增强树脂基体复合材料轴对称平面Whitney和Riley分析模型,利用非线性有限元分析方法,研究该类复合材料纤维长径比变化对材料整体力学行为的影响,同时研究该类复合材料中纤维与基体界面结合强度分布形式对材料破坏方式的影响。研究表明:纤维在基体中的埋深长度与基体对纤维包裹厚度应保持在一个最佳范围,高过一定值后增强作用几乎不再增加,过低又不能保证复合材料足够力学性能;随着纤维与基体上端界面结合强度增加,纤维界面上端正应力绝对值出现最大值,并且纤维界面上下端正应力转化为压应力,因此材料的断裂位置为上端加持部位附近,下端加持部位附近没有出现界面脱粘现象;随着纤维与基体下端界面结合强度的增加,纤维界面下端正应力绝对值出现最大值,并且纤维界面上下端正应力转化为分离力,因此材料断裂位置为材料下端加持部位附近,上端加持部位附近出现纤维与基体脱粘现象。     

外来物冲击损伤对复材加筋板屈曲特性影响研究

为发挥复合材料加筋壁板的后屈曲承载能力,设计了含冲击损伤加筋壁板压缩失稳疲劳试验。讨论了外来物冲击损伤对失稳临界应力的影响,以及结构在疲劳载荷下,失稳-恢复-失稳的后屈曲承载过程中,屈曲损伤的扩展情况。结果表明,外来物冲击对失稳临界应力影响不明显。该型复合材料加筋壁板有较好的失稳疲劳特性,为复合材料加筋壁板设计提供了思路。     

单向M40J/5228A复合材料在真空热循环作用下诱发热应力的数值模拟

对单向M40J/5228A复合材料进行了真空热循环试验(93～413K,10-5 Pa),利用MSC.Marc2001有限元分析软件对复合材料内的交变热应力分布进行了数值模拟.结果表明,真空热循环导致的累积残余热应力会引起复合材料出现局部脱粘,并且使复合材料界面层附近出现应力集中.     

复合材料加筋板的阶梯式挖补修理稳定性分析

复合材料已在飞机结构中得到了广泛应用,其中胶接修补研究是当前复合材料结构修补中急待解决的重要问题之一。主要针对层合板结构胶接修理中的阶梯式挖补进行研究,建立了复合材料加筋板阶梯式挖补修理结构的有限元分析模型,并进行了屈曲数值分析,详细探讨了补片半径、补片阶梯数、筋距对挖补修理结构稳定性的影响规律。     

受弯曲对称复合材料层板的层间应力分析

本文引伸了受均匀拉伸复合材料层板自由边界效应问题的准三维有限元理论,分析了受弯曲（±45）_s角交层板与正交对称层板中的应力响应。着重讨论了层板自由边附近及层间界面上的应力分布。与受均匀应变拉伸下的应力分布相比,受弯曲对称复合材料层板中的层间应力分布有许多不同的特点。本文的分析结果将有助于理解在复合载荷下复合材料层板的破坏模式与破坏过程。     

轴压载荷下复合材料加筋板后屈曲承载能力研究

建立了轴压载荷下复合材料加筋板后屈曲承载能力分析有限元模型,计算了航空结构中典型的工字型、T型和帽型复合材料加筋板的屈曲载荷,并采用渐进损伤分析方法对复合材料加筋板后屈曲极限破坏载荷与破坏模式进行了研究.研究了筋条截面形状、筋条铺层方式对复合材料加筋板后屈曲特性的影响,研究结果可以为复合材料加筋板的设计提供参考.     

含离散源损伤的复合材料壁板的剩余强度评估

为研究含离散源损伤的碳纤维增强树脂基复合材料曲面帽形加筋壁板在内压-轴压联合载荷下的剩余强度，对7长桁4框的复合材料曲面帽形加筋壁板进行了试验和分析。结果表明，与离散源损伤距离超过1个典型长桁间距壁板的蒙皮和长桁在轴压载荷作用下轴向应变分布较均匀；加载过程中，损伤区附近应力重新分配，降低了应力集中，离散源损伤可简化为圆孔；基于FD判据和经典层压板理论的计算方法能较准确的计算出含离散源损伤的曲面帽形加筋壁板在内压-轴压联合载荷下的剩余强度；并针对复合材料曲面帽形加筋壁板的结构特点、应变分布特征及破坏模式提出一种在内压-轴压联合载荷下轴向剩余强度的工程估算方法；计算结果均与试验结果吻合较好。     

陶瓷基复合材料单纤维拔出力学分析

建立了考虑界面滑动摩擦的复合材料单纤维拔出力学模型,得到了包含泊松效应影响的基体轴向应力、纤维轴向应力和界面剪切应力的表达式.针对SiC/RBSN陶瓷基复合材料,在部分脱粘/滑移和完全粘结情况下,对纤维、基体、界面的应力分布进行了分析.计算结果与有限元计算结果相比,具有较好的一致性.结果表明:纤维百分含量的变化能够改变界面发生脱粘/滑移失效点的位置;界面发生脱粘/滑移后的脱粘扩展比界面完全粘结的脱粘扩展更容易发生;不考虑热不匹配的影响,仅通过增加界面摩擦系数不能使应力重分布发生很大变化.      

缝合复合材料T型加强板强度仿真研究

为提高复合材料筋条与蒙皮的连接界面强度,局部缝合技术是一种有效的方法。分别对无损伤缝合加筋板和含冲击损伤缝合加筋板采用内聚力模型模拟界面层、粘接元模拟缝合进行有限元建模（FEM）计算分析,并与轴压试验结果进行对比。两组试验结果与有限元计算分析结果偏差均不大于8.5%,表明采用有限元模拟界面层和缝线的方法是可行的;试验结果和有限元计算结果显示,当蒙皮与筋条尚未发生剥离的情况下,缝合对复合材料加筋板的压缩承载能力影响不显著。     

复合材料加筋壁板长桁蒙皮剥离失效分析

为了研究复合材料加筋壁板在纯弯载荷作用下蒙皮与长桁间的脱胶过程,基于ABAQUS有限元软件中的连续壳单元和Cohesive单元建立了有限元模型。在该模型中,采用Hashin准则预测面内损伤,而对于蒙皮与长桁缘条之间脱胶损伤的起始与扩展,则采用Cohesive单元进行模拟。采用该模型对复合材料加筋壁板蒙皮与长桁在纯弯载荷作用下的破坏过程进行仿真,仿真结果与试验结果相比较表明,本文建立的有限元分析模型能较好地模拟加筋壁板在纯弯载荷作用下蒙皮与长桁间的脱胶过程,并且能较好地预测该结构的剥离强度。     

CFRP三维铣削仿真模型的建立及层间损伤分析

碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)具有层间结合强度低、各向异性等特点,切削过程中易产生层间损伤。为了对CFRP铣削加工过程中的层间应力、层间损伤进行研究,建立了复合材料三维铣削仿真模型。该模型在结构上采用等效均质建模,层内单元利用VUMAT子程序建立了三维Hashin起始失效准则以及损伤演化过程模型,层间采用Cohesive单元连接以模拟层间损伤的产生及扩展。通过与实验切削力数值的比较,验证了仿真模型的准确性。利用该模型分析了切削力、层间应力及层间损伤随纤维方向角(0°、45°、90°、135°)的变化规律。结果表明:铣削过程加工损伤主要集中在近工件表面。铣削力、层间应力、层间损伤受纤维方向角的影响,纤维方向角为90°与135°时,轴向铣削力较大,层间应力与层间损伤均随纤维方向角的增加而增大,纤维方向角为135°时,层间应力最大,层间损伤最严重。     

热塑性复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性

对一种新型热塑性复合材料的Ⅰ型层间断裂韧性进行了研究。将非线性能量释放率作为层间断裂的控制参量,并提出用非线性因子法和改进的能量面积积分法计算。两种方法的结果非常接近,均能较好地反映韧性基体复合材料的层间断裂韧性。SEM照片分析表明,纤维和树脂界面强度过低是造成热塑性复合材料层间断裂韧性远低于基体断裂韧性的原因。另外,层间断裂韧性随加载速率增加而减小,在单对数坐标系下两者呈线性关系。     

层间增韧复合材料研究

研究了一种采用在复合材料层压板间插入韧性薄膜的方法，改善复合材料层压板层间韧性和损伤容限的技术。有限元分析和层间断裂韧性试验结果表明，层间加胶层复合材料层压板的层间应力有明显下降，层间断裂韧性有显著的增加。     

层合板干涉螺接分层损伤及其临界干涉量

复合材料层合板的干涉配合连接具有优越的性能,是飞机复合材料结构连接的发展趋势。然而,层合板在干涉连接过程中易出现分层损伤。针对以上问题,采用理论建模与有限元模拟方法研究了碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层合板干涉螺接过程中的分层损伤及其临界干涉量。首先,对CFRP层合板的干涉螺接工艺过程和分层损伤进行力学行为分析;然后,基于虚功原理,建立了各层界面的分层损伤临界轴向力计算模型,结合插钉力与干涉量间的关系,建立临界干涉量的预测模型,求得分层损伤的临界干涉量;最后,采用ABAQUS有限元软件对CFRP层合板干涉螺接过程进行数值模拟,应用内聚力单元建立层合板层间界面,模拟了CFRP层合板在不同干涉量时的分层损伤机理,并通过扫描电子显微镜(SEM)实验观测了细观分层损伤。研究结果显示:干涉量是影响CFRP层合板分层损伤的主要工艺参数;层合板中越靠下边的层间界面,其不产生分层损伤的临界轴向力和临界干涉量越小,即越容易产生分层损伤。     

机翼复合材料加筋壁板结构的优化设计

为了提高机翼复合材料加筋板结构的承载效率,把总体屈曲载荷、局部屈曲载荷和静载荷相等作为最优化设计准则,利用稳定性效率因子图和复合材料稳定性分析方法实现机翼复合材料加筋板结构的初步优化设计。利用编写的PCL二次开发程序进行参数化建模分析,可以较快地得出不同材料和载荷情况下的稳定性效率因子图。结果表明:通过稳定性效率因子图结合复合材料加筋板结构的稳定性分析方法,可以较快实现机翼加筋板结构的初步优化设计,所得结构具有相对较高的承载效率。     

复合材料变厚度加筋板后屈曲耐久性/损伤容限一体化设计研究

在先进的复合材料飞机结构上大量采用复合材料加筋板这种结构形式。因此,本文着重研究了复合材料变厚度加筋板后屈曲、冲击损伤与冲击损伤对承载能力的影响,以及复合材料变厚度加筋板冲击损伤、后屈曲、耐久性/损伤容限设计一体化综合试验方法。最后,作者根据多年从事飞机型号结构设计经验,并结合本文的研究结果,总结出15项复合材料变厚度加筋板后屈曲耐久性/损伤容限一体化设计技术,以期对我国预研新机的复合材料飞机结构设计,对已研飞机的复合材料飞机结构改进、评定有所启示。     

航空复合材料加筋板压缩屈曲及后屈曲力学性能

航空复合材料加筋板由于具有良好的力学性能,广泛地应用于航空结构中。本工作研究了航空复合材料加筋板压缩屈曲及后屈曲力学性能,首先应用工程方法对复合材料加筋板进行压缩稳定性计算,得到加筋板的屈曲载荷和破坏载荷的预估值;其次,开展复合材料加筋板压缩稳定性实验,得到实验件的屈曲及破坏形式、实验件的载荷-应变及载荷-位移关系和实验件的屈曲载荷和破坏载荷。结果表明:采用工程方法得到的计算结果与实验结果较为吻合,屈曲载荷和破坏载荷的误差分别为6.12%和9.31%,合理应用工程方法可以为实验提供较好的指导;加筋板的破坏形式为壁板的分层、鼓包和撕裂、筋条的断裂以及筋条-壁板的脱粘;屈曲比为1.65的复合材料加筋板具有较强的后屈曲承载能力;工程中可充分应用加筋板的后屈曲承载能力提高结构的利用效率。     

复合材料加筋板损伤抑制带设计与分析

研究损伤抑制带对损伤扩展的抑制机理以及损伤止裂效果对于提高结构强度和效率具有重要意义。采用渐进损伤分析方法和有限元模型分析了抑制带对蒙皮/筋条的损伤扩展的抑制情况和发生机理;讨论了损伤抑制带数量和其沿蒙皮厚度的分布等设计变量对结构剩余强度的影响。结果表明：0°损伤抑制带将蒙皮损伤抑制在缘条附近并维持一段加载历程,从而提高了复合材料加筋板的承载能力;蒙皮的失效应力随着0°损伤抑制带层数的增加而增加;对于相同数量的0°损伤抑制带,其沿着蒙皮厚度的不同分布对结构承载能力的影响很小。     

基于压缩感知的金属加筋板兰姆波健康监测技术

针对大型复杂板结构安全评价需要，发展了一种基于压缩感知的金属加筋板结构兰姆波健康监测技术。利用压缩感知技术从稀疏阵列得到的少量检测数据中恢复出加筋板结构中兰姆波的频散特性，并提出了一种将余弦相似度和皮尔森相似度相结合的稀疏阵列兰姆波复合成像方法，以实现加筋板结构中大范围缺陷检测和成像。实验结果表明，压缩感知技术可以恢复出金属加筋板中兰姆波的频率-波数关系，提出的兰姆波复合成像方法能够实现金属加筋板中单缺陷和多缺陷的检测及定位。研究工作为复杂板结构损伤检测提供了一种可行的技术方案。