复合材料 ENF 试件裂纹扩展理论分析简

 对复合材料端部缺口弯曲（ENF）试件裂纹扩展过程进行了理论分析,研究了界面参数变化对载荷-位移曲线的影响。首先在梁微段分析的基础上,通过双线性Cohesive本构模型模拟了界面损伤。本文模型中考虑了轴力的影响,根据界面损伤程度对模型进行了分段,并分别获得了各段通解。以裂纹长度以及黏聚区范围为变量分析了ENF试件裂纹扩展过程,求解获得了载荷-位移曲线。通过与已有理论模型结果对比,验证了本文理论分析的正确性,且本文理论考虑了弹性段后非线性的存在。分析了界面参数与黏聚区长度的关系,为界面参数的选取提供了一定的依据。     

复合材料MMB试件I-II混合型层间裂纹扩展分析

基于经典层合板理论及双线性黏聚区本构关系，建立了含一般分层裂纹层合板的理论模型，对I-Ⅱ混合型弯曲（MMB）断裂试件进行了裂纹扩展理论分析。提出了一种I-Ⅱ混合型断裂叠加模型，引入I型裂纹分量的刚体转动位移，同时考虑了裂纹长度超过试件半长后中部载荷分量对裂纹扩展的闭合效应，并根据黏聚区力学响应，分段获得了位移函数通解。结合叠加模型的边界条件与连续性条件，分析了MMB试件的裂纹扩展过程，求解获得了载荷-位移曲线。通过与梁模型预测以及试验结果进行对比，验证了本文模型对I-Ⅱ混合型裂纹扩展预测的有效性和准确性，并讨论了初始断裂模式混合比及闭合效应对裂纹扩展过程的影响。结果表明：初始Ⅱ型裂纹比重较大时，中部载荷的闭合效应更为明显，可能出现I型裂纹完全闭合的情况；裂纹扩展过程中，当裂纹长度小于试件半长时，断裂混合比基本保持常数；当裂纹扩展超过试件半长后，闭合效应明显，混合裂纹形式逐渐向单一型断裂模式退化。     

预估金属构件疲劳全寿命的损伤力学-有限元法

 引用损伤力学方法研究金属构件疲劳问题,建立了应力场-损伤场耦合基本方程与有限元素-附加载荷解法,并以损伤划分步长推导了构件疲劳裂纹形成与扩展寿命的预估公式。本文用以上方法预估2024与7075两种材料、多种几何参数含缺口板试件全寿命。结果表明,理论S-N曲线与实验S-N曲线吻合良好。本方法所需机时较少,可能用于工程实际。     

界面层参数对陶瓷基复合材料单轴拉伸行为的影响

采用细观力学方法研究了界面层参数对陶瓷基复合材料单轴拉伸行为的影响.在剪滞模型基础上提出了考虑界面相与界面层效应的力学简化模型,结合临界基体应变能准则、最大剪应力准则、临界纤维应变能准则确定基体裂纹间距、界面脱黏长度和纤维失效百分数,对考虑界面层影响的陶瓷基复合材料拉伸应力-应变曲线进行了模拟,讨论了界面层体积分数、弹性模量及泊松比对拉伸行为的影响,并与试验结果进行了对比,发现考虑界面层及界面相的影响时,界面脱黏和纤维失效段应力-应变曲线与试验数据更接近,预测效果更好.      

基于内聚力模型的改性双基推进剂断裂特性研究

为了研究改性双基推进剂的Ⅰ型断裂性能,进行了该推进剂材料的三点弯曲试验及单轴拉伸试验,初步获取了材料的断裂强度及断裂能参数。基于内聚力模型构建材料断裂本构方程,应用于三点弯曲断裂有限元仿真分析,得到仿真加载点载荷-位移曲线,并采用反演优化算法对内聚参数进行修正,获取最终准确模型参数。为验证模型准确性,进行了不同初始裂纹长度下的三点弯曲试验及仿真。结果表明模型能够较好地描述实际裂纹扩展过程中的载荷-位移特性及裂纹扩展特性,仿真结果与试验结果误差小于7.6%,证明该模型的有效性。     

基于FRANC3D的飞机蒙皮谱载疲劳裂纹扩展分析

为了研究飞机蒙皮谱载疲劳裂纹扩展情况,建立含裂纹蒙皮有限元模型,利用FRANC3D裂纹分析软件计算蒙皮三维裂纹前缘应力强度因子,研究不同网格参数对计算结果的影响,并与解析解进行比较,确定裂纹前缘网格参数取值范围,然后对蒙皮表面裂纹在随机疲劳载荷谱下的裂纹扩展过程进行分析,得出裂纹扩展长度-载荷循环次数曲线,该曲线对于采用数学模型评估结构剩余寿命方面具有一定的参考价值。     

起落架结构损伤容限设计初步探讨

本文探讨了有关起落架结构损伤容限设计的强度设计逻辑程序。给出了损伤容限要求,疲劳使用载荷谱及环境腐蚀影响的疲劳分散系数,以及依据表面裂纹长度估算深度公式。探讨了用由裂纹扩展速率积分而得的S-N曲线按Miner理论进行结构断裂分析方法。给出了用裂纹扩展增量描述的疲劳损伤,以及按裂纹扩展损伤等效原则的试验应力谱折算公式。     

轴对称构件疲劳寿命预测的损伤力学-附加载荷-有限元法

 提出了一种实用有效的弹塑性损伤应力 -应变本构方程与损伤演化方程。针对中高周疲劳问题,发展了轴对称疲劳寿命预测的损伤力学 -附加载荷 -有限元法计算格式。通过引入塑性附加载荷,考虑了构件应力集中区域塑性变形对构件疲劳寿命的影响。预估了30 Cr Mn Si Ni2A材料含沟槽轴对称试件的疲劳裂纹形成寿命,并分析了疲劳裂纹的扩展情况。疲劳寿命理论预测结果与实验结果吻合良好。     

基于原位拉伸的推进剂/衬层界面力学性能研究

为了解释某种HTPB复合固体推进剂/衬层粘接试件载荷-位移曲线的"双峰"特征,设计了一种基于推进剂/衬层微型试件的原位拉伸试验方法,根据界面细观破坏形态与载荷变化过程,提出了界面处颗粒脱湿及基体断裂过程分别对应两个载荷峰的假设。采用改进的并联Maxwell元件模型对界面断裂行为进行了模拟计算,重现了断裂过程的载荷-位移曲线的"双峰"特征,验证了假设的合理性。通过模拟计算实测曲线,给出了推进剂基体与颗粒之间的近似粘接强度等参数,为推进剂/衬层粘接系统细观材料参数计算方法提供了一种参考。     

某飞机机翼下壁板搭接区损伤容限分析

为了获得某飞机机翼下壁板搭接区铆钉孔损伤容限特性,依据搭接区基本结构,结合国军标损伤容限的具体要求,在初始角裂纹模式下,采用商用损伤容限分析软件NASGRO对结构在损伤容限谱载下进行了分析。同时对不同裂纹长度下结构的剩余强度进行了计算,得出了裂纹扩展长度和剩余强度随时间变化的曲线。本文的分析方法可用于飞机其它部位的损伤容限分析。     

复合固体推进剂细观结构建模及脱黏过程数值模拟

为研究复合固体推进剂损伤演化规律,基于分子动力学颗粒填充算法构建了HTPB(hydroxyl terminated polybutadiene)推进剂细观结构模型,通过在AP(ammonium perchlorate)颗粒/HTPB基体界面处引入黏接接触替代传统的黏接单元,并基于Hooke Jeeves的参数优化算法反演得到颗粒/基体界面处内聚力模型参数,利用双线性和自定义指数型损伤内聚力模型模拟了AP颗粒和HTPB基体黏接界面处损伤的萌生、发展、聚合直至宏观裂纹破坏的过程。通过数值仿真与实验结果对比发现,指数型损伤内聚力模型比双线性模型能更准确描述推进剂单轴拉伸过程中颗粒与HTPB基体界面间脱黏过程。最后对比了多阶段加载实验结果与仿真结果曲线,发现两者变化趋势基本一致,最大偏差仅为10%,验证了所建细观模型的可靠性及反演所得界面参数的准确性。      

推进剂/包覆层界面脱粘率相关特性研究

固体火箭发动机(SRM)装药包覆界面性能对发动机安全工作意义重大。为研究改性双基(CMDB)推进剂/三元乙丙(EPDM)包覆层界面在不同受载速率下的脱粘情况,采用双悬臂梁(DCB)试件对包覆粘接界面进行了界面脱粘性能试验研究,获取了脱粘界面扩展过程中的加载点载荷-位移曲线。同时,构建了界面率相关内聚力模型(CZM),并采用Hooke_Jeeves优化算法反演识别出相关模型参数。通过对比多阶段加载实验及仿真结果曲线验证了模型的可靠性,结果表明,二者变化趋势基本一致,最大误差小于15%,所得结论对固体火箭发动机装药界面脱粘研究具有一定参考价值。     

热载荷下热障涂层表面裂纹-界面裂纹的相互作用

针对热障涂层在热循环载荷下陶瓷层表面和氧化层/黏结层界面形成裂纹而导致涂层失效的问题,采用扩展有限元和内聚力单元建立陶瓷层表面裂纹与氧化层/黏结层界面裂纹相互作用的有限元模型,得到不同裂纹附近应力分布和开裂程度,分析了这2种裂纹之间的相互影响,结果表明:表面裂纹对界面裂纹影响较大,而界面裂纹对表面裂纹影响较小;氧化层几何参数以及材料参数对2种裂纹演变的影响研究结果表明:氧化层正弦幅值和厚度主要影响界面裂纹,在热载荷下,氧化层越粗糙,界面裂纹扩展速度越快。黏结层弹性模量主要影响界面裂纹扩展程度,而陶瓷层弹性模量主要影响表面裂纹扩展程度,对界面裂纹间接地产生较大影响。     

一种层压复合材料组合界面单元及有限元模型

 为了高效模拟计算复合材料层合板的层间损伤,提出了一种由刚性元和零厚度的内聚力单元组合而成的新型组合界面单元,并提出了以弯曲板单元作为子层单元,与上述界面单元结合构成的层合板三维有限元模型,通过界面单元刚度的连续衰减模拟分层损伤累积过程。有限厚度的八结点组合界面单元每个结点有5个自由度,能考虑子层结点平动和转动对层间损伤的作用。通过对双悬臂梁(DCB)和末端缺口弯曲(ENF)试验的计算模拟表明,新型组合界面单元和有限元模型能很好地模拟复合材料层合板的分层损伤过程,对不同的网格划分有很好的适应性。     

热载荷下热障涂层表-界面裂纹间的相互影响

针对高温热载荷条件下APS制热障涂层裂纹失效问题，基于涂层系统热弹、热弹塑性本构关系，考虑陶瓷层/氧化层/粘结层界面凹凸形貌，依据表、界面裂纹位置、性质不同，分别运用断裂力学和损伤力学理论建立裂纹演化模型，结合围线积分和内聚力单元法，分析了热载荷下表、界面裂纹断裂参量及开裂状态，研究了陶瓷层表面裂纹与粘结层/氧化层界面裂纹间的相互影响，揭示了热、力、化多场耦合下的裂纹失效机理。结果表明，表面裂纹大幅改变界面微区域的应力分布状态，靠近界面时能使界面裂纹扩展程度整体增加20%，且相邻凸峰处开裂非均匀性可达81%，表面裂纹断裂参量主要受多层结构热失配及缺陷主导，界面裂纹对其影响相对较小，分析结果与试验结果一致。      

胶接修补复合材料层合板失效分析的PDA-CZM方法

建立了一种预测胶接修补复合材料层合板的损伤演变与剩余强度的PDA-CZM方法。该方法应用三维渐进损伤分析（PDA）方法和粘聚区模型（CZM）分别模拟复合材料层合板和修补胶层的失效过程。对修补层合板的纤维断裂、基体开裂、层间分层以及胶层脱胶等损伤的萌生和扩展以及它们之间的耦合作用进行了研究。计算得到了修补结构的载荷--位移曲线,并预测了其极限强度。计算结果和试验数据吻合良好,验证了PDA-CZM方法的有效性。最后,讨论了修补参数对剩余强度的影响规律。     

率相关HTPB推进剂/衬层界面Ⅱ型内聚力模型

采用实验与反演相结合的方法构建了端羟基聚丁二烯(HTPB)推进剂/衬层界面的率相关的内聚力模型.采用改进的单搭接试件完成了HTPB推进剂/衬层界面的断裂实验研究,采用内聚力单元方法对单搭接试件进行了数值研究,结合基于Hook-Jeeves优化算法的反演识别程序,获取了不同加载率下的界面断裂参数.由于界面断裂参数具有明显的率相关性,通过构建率相关的损伤函数,构建了基于双线性内聚力模型的率相关HTPB推进剂/衬层界面Ⅱ型内聚力模型.模型预测结果和实验结果的对比相关系数大于99%,说明本文所建立的 率相关内聚力模型具有较高的准确性,能够准确描述加载率为5~200mm/min时推进剂/衬层界面的断裂性质.      

含缺陷复合材料T型接头失效数值分析

 针对复合材料T型接头优化设计问题,利用粘聚区模型(CZM)建立了可预测复合材料接头拉伸破坏过程的分析方法.将填充物缺陷加入该模型,填充区裂纹的起始是随机的,重点分析填充物缺陷的位置、尺寸大小以及填充物刚度对接头承载能力的影响.计算结果表明:模拟结果与实验结果吻合较好;无论缺陷位置如何,缺陷尺寸越大,结构承载能力越弱;结构承载能力对上角缺陷最为敏感;填充物刚度在3~50 MPa时,填充物刚度较大的接头损伤容限特性更好;不同的缺陷位置,破坏模式差异较大,但起裂点或最终失效处都在缺陷附近的基体中.