铺层复合材料风扇叶片榫头层间应力分析

采用有限元方法对复合材料风扇叶片榫头在拉伸及拉弯耦合工况下的层间应力特点进行研究。根据榫头结构特点,完成了榫头的铺层设计;基于FiberSIM-ACP软件平台,建立了复合材料风扇叶片榫头有限元分析流程,确定了一种满足层间应力分析精度要求的榫头有限元模型,通过与试验结果对比,证实了该有限元模型的有效性。计算结果表明:拉伸工况下层间正应力S33的高应力区位于叶身开始向叶根过渡的变厚度位置,该位置处靠近压力面的14层铺层承受拉伸应力;切应力S13及S23的高应力区在同一区域,切应力大小与铺层角度息息相关,0°铺层承受较大的切应力S13,±45°铺层同时承受较大的切应力S13和S23。增加弯曲载荷后S33的高应力区向榫头上端延伸,承受拉应力的铺层数量增加;切应力的高应力区靠近榫头承力面,高应力区铺层数量增加。     

复合材料风扇叶片鸟撞损伤的精细化分析方法

为了研究复合材料风扇叶片鸟撞损伤机理并指导研发设计,提出一种鸟撞复合材料风扇叶片的精细化分析方法。建立 了包含铺层信息的复合材料风扇叶片精细化有限元模型,进行中鸟撞击工况的数值计算,基于ANSYS-Workbench软件的自动化 脚本和MATLAB程序提取铺层有限元结果数据进行失效分析,通过Tecplot实现结果的可视化并结合叶片冲击响应进行叶片损伤 分析。结果表明：叶片的冲击响应除周向弯曲、轴向弯曲、扭转以外,在伸根段以上部分还包含高阶模态成分;叶片内部失效明显, 叶片外表可见损伤较少;在伸根段和榫头内部50%弦长位置出现明显分层,发生基体开裂的铺层较多;相同角度铺层的纤维失效 和基体失效位置及演化规律相似,少量铺层在高阶模态影响下,在特殊位置失效;±45°铺层在伸根段前缘附近出现显著纤维拉伸 失效,该位置为叶片的鸟撞薄弱点。     

定向破坏复合材料层合壳体结构铺层的分析与设计

以复合材料层合板为基本材料设计了一种结构新颖的定向破坏复合材料层合壳体结构,在导弹与

该壳体结构的初始接触区域预制缺陷区,导弹发射时以四瓣形式开裂,大幅度提高了导弹的发射效率。利用ANSYS

有限元模拟分析软件,通过强度分析确定了最佳铺层设计方案,单层板厚度为0.2 mm,采用基体本身加强预

置缺陷区的[0°/90°/ ±45°]2S 铺层方式。该种铺层方式的爆破载荷为0.21 MPa,最小顶破载荷为1 kN,完全能够

满足其在工作环境下既能承受一定的压力不漏气又能在较小的顶破载荷下自行破裂的设计要求。

     

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.     

含中心圆孔复合材料层合板失效分析及强度预测研究

对复合材料结构进行开孔将会导致结构强度显著下降。以含中心圆孔的复合材料层合板为研究对象,根据ASTM D 5766标准对三种不同铺层比例的含中心圆孔复合材料层合板进行拉伸试验,研究不同铺层比例对复合材料开孔拉伸试验件的拉伸性能和失效模式的影响。基于连续介质损伤力学,分别采用最大应变失效准则和基于物理失效机制的三维非线性Puck失效准则预测纤维和基体损伤的起始,通过应变表征损伤演化,建立含中心圆孔复合材料层合板的三维有限元模型;并进行数值分析,通过与试验结果对比,表明该模型能有效预测含中心圆孔复合材料层合板的拉伸强度和损伤扩展过程。     

含金属预埋件碳纤维层合板在单向拉伸载荷作用下的强度分析

基于工程中金属预埋件在复合材料层合板中的应用情况,建立了含圆柱形金属预埋件和含阶梯形金属预埋件碳纤维/环氧树脂层合板的三维分析模型.层合板中的单层板简化为三维正交各向异性材料.采用有限元方法对单向拉伸载荷下含金属预埋件层合板进行了应力分析,给出了单层板各主方向应力分布和金属预埋件的VON MISES应力分布.基于复合材料单层板的最大应力强度准则给出了两种分析模型的极限载荷.分析结果表明,两种预埋件层合板模型的首次破坏均发生在90°铺层,破坏模式均为树脂基体拉伸断裂.圆柱形预埋件层合板的损伤位于中心孔边约12点钟位置,阶梯形预埋件层合板的损伤位于铺层与金属预埋件台阶面边缘约6点钟位置.由于不连续纤维含量较大,阶梯形预埋件的极限载荷比圆柱形预埋件小18.03％.     

三维浅交弯联机织复合材料准静态冲击性能有限元模拟

借助绘图软件PRO/E构建出用于研究冲击性能的三层三维浅交弯联机织复合材料及冲头的结构模型,并利用有限元软件ANSYS对其力学性能进行模拟分析。分别表征复合材料中纤维、树脂基体的应力应变分布情况,并预测复合材料的冲击破坏形式。结果表明,在准静态冲击载荷的作用下,复合材料在冲头冲击的位置形成贯穿性损伤;纤维表现出较大的冲击应力,树脂基体表现出较大的冲击应变;冲击破坏模式主要为复合材料的变形引起的贯穿性破坏,包括纤维的断裂、树脂的破碎及纤维与树脂间的脱粘。     

纤维增强涡轮轴结构失效模式分析方法及试验验证

针对连续纤维增强复合材料涡轮轴结构失效模式分析问题,基于宏-细观力学跨尺度分析方法,建立细观力学代表性体积元(RVE)模型,通过编程模拟实现模型的周期性边界条件,计算纤维增强复合材料应力响应,将其均值应力转化为真实应力,确定失效包线。建立连续纤维增强轴结构力学模型,计算轴结构在扭转载荷下的应力响应。通过复合材料层合板主偏轴关系应力转化,将危险单元各方向宏观应力响应计算结果转化到细观力学RVE模型上,即为细观力学RVE模型受载情况。结合细观力学失效边界确定复合材料轴结构危险位置失效模式,当扭转载荷达到5 000～5 500 N·m之间,复合材料最外层即层6(+45°)首先达到基体拉伸失效载荷。开展复合材料轴结构失效模式试验,在扭转载荷达到6 000 N·m时,声发射信号相互叠加,大部分均为中频信号,中频信号多为基体、界面开裂信号。与模拟仿真计算结果对比分析,验证连续纤维增强复合材料涡轮轴结构失效模式分析方法的有效性。利用所建立模型预测了某型发动机低压涡轮轴的失效载荷及失效模式。     

含冲击损伤复合材料加筋层板压缩剩余强度

将复合材料加筋层板受低速冲击后的损伤区域描述为一个椭圆形弹性核,材料在核区的弹性模量下降由冲击表面的凹坑深度确定。利用含任意椭圆核各向异性板杂交应力有限元来模拟含损伤区域,杆单元来模拟筋条,钉单元模拟铆钉（胶层）和常规8节点等参单元模拟其余无损区域,建立起含低速冲击损伤复合材料加筋层板的力学响应分析方法。利用基于特征曲线概念的点应力判据、最大正应力判据和最大剪应力判据分别预测蒙皮的破坏、筋条的破坏和铆钉（胶层）的破坏,从而预测加筋层板在压缩载荷下的剩余强度,获得了与试验相吻合的结果。最后讨论了损伤尺寸、损伤形态、铺层比例等参数对加筋层板剩余强度的影响。     

含铺层拼接层合板的力学性能

为研究铺层拼接对复合材料层合板力学性能的影响,设计了含不同铺层拼接形式的碳/双马复合材料层合板试件.采用拉伸试验方法测定了材料力学性能,得到了不同拼接形式下层合板的拉伸强度.试验表明,含铺层拼接层合板的失效模式为层间剪切破坏和纤维断裂.建立了铺层拼接层合板的有限元模型,分析了铺层拼接对层合板应力分布和层间应力的影响.     

基于CDM的复合材料缺口强度三维数值仿真模型

层合板受载时在缺口尖端出现的沿纤维方向的基体开裂会使缺口钝化,降低缺口带来的应力集中影响。为了更好地模拟这一现象,建立基于CDM的三维有限元模型,提出一种可以实现层合板中每层网格不同排列的建模方法,使网格边缘与每层纤维方向一致;为了实现每层网格不同的排列,在层间建立内聚力接触模拟分层损伤;对纤维增强复合材料层合板[0/902/0]S和[0/90/±45]S进行开孔拉伸的渐进损伤分析。结果表明:该模型可以模拟不同材料体系和铺层参数的层合板在拉伸载荷作用下的渐进损伤过程,预测其破坏强度;通过已知的试验结果对模型进行验证,证明了该方法的正确性且预测精度较高。     

叠层穿刺CF/Al复合材料准静态拉伸力学行为与失效机制

针对新型的叠层穿刺碳纤维织物增强铝基复合材料（CF/Al复合材料）,通过细观力学数值模拟与实验结合的方法研究了其在准静态拉伸载荷作用下的渐进损伤与断裂力学行为。复合材料经向拉伸弹性模量、极限强度与断裂应变的实验结果分别为129.61 GPa、630.14 MPa和0.75%,细观力学模型预测误差分别为-9.41%、7.57%和1.33%,均匀化计算的宏观应力-应变曲线与实验曲线总体上相符。经向拉伸变形初期首先出现经/纬纱交织处基体合金的局部损伤,随着拉伸应变量的增大依次发生纬纱和穿刺纱的横向开裂,拉伸变形后期基体合金与经纱失效引起宏观应力-应变曲线的急剧下降,复合材料拉伸断口表现为经纱轴向断裂及纬纱和穿刺纱横向开裂共存的形貌特征,纤维拔出和基体断裂导致的经纱轴向断裂是诱发复合材料最终失效的主要机制。     

Analysis of the effect of stiffener profile on buckling strength in composite isogrid stiffened shell under axial loading

In this paper, the buckling behavior of thin-walled GFRP cylindrical shells with triangular lattice patterned reinforcements formed by helical and circumferential ribs under axial force is analyzed. In this analysis, various models of composite isogrid stiffened cylindrical shells with outer diameter of 150 millimeters, shell thickness of 0.5 millimeters and height of 280 millimeters, stiffened with 6 helical and 2 circumferential ribs and all with the same material properties of shell and ribs are used. Ribs have constant section areas but different shapes and cross section profiles. The effects of these differences on buckling strengths of structures under axial load are studied. For analysis and modeling of structures, Finite Element Analysis method and ANSYS software were used. The results (elastic buckling load) for each model were derived and based on these results, ratio of buckling strengths to weight parameters were calculated for each model and were compared to results obtained from other models. The effect of profile of the ribs on the buckling of shells under axial loading can be concluded from the results. Results showed that stiffening the shells increased the buckling load from 10% up to 36% while decreased the buckling load to weight ratio to 42% up to 52% of an unstiffened shell.     

复合材料薄壁圆柱壳体的稳定性

 本文讨论了复合材料圆柱壳体稳定性的复杂性,总结了已经取得的研究成果,并与有关实验进行了比较。重点评述了几何非线性、物理非线性、初始缺陷、横向剪切效应和前屈曲变形状态等因素对失稳性能的影响。对今后的工作给出了建议。     

2.5D C/SiC复合材料带孔板拉伸破坏的多尺度模拟

为了研究2.5D编织陶瓷基复合材料带孔板的拉伸破坏行为,提出一种可以模拟带孔板细观破坏过程的多尺度计算方法。该方法根据2.5D编织陶瓷基复合材料的细观结构建立细观模型,通过子模型法将平板的宏观有限元模型和孔周围区域的细观有限元模型耦合在一起,然后采用渐进损伤计算方法完成带孔板破坏的多尺度模拟。计算结果表明,带孔板在拉伸载荷较低时出现初始损伤,随着载荷的加大经纱发生轴向拉伸破坏,纬纱发生横向的破坏。裂纹从孔边沿横向扩展至板的两端,最终整个板完全断裂失效。失效时的应变为0.375%,最大加载应力为221.7MPa。     

复合材料圆柱壳非线性稳定性分析中的几个基本问题

本文讨论复合材料圆柱壳在非线性失稳下的几个基本问题,即失稳时几何非线性影响、初始缺陷影响、材料物理非线性影响、横向剪切变形影响以及前屈曲变形和各种边界条件的影响等。这些因素的交互作用对失稳性能是重要而且复杂的。本文是对于这些问题的一系列研究结果的一篇综合性分析报告。     

Bolt insertion damage and mechanical behaviors investigation of CFRP/CFRP interference fit bolted joints

Interference fit has advantages in improving fatigue behaviors of composite bolted joints; however, interference fit bolt insertion tends to cause damages in laminates weakening joint mechanical properties. Therefore, an experimental study was conducted to investigate bolt insertion damages of Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP)/CFRP interference fit bolted joints. Mechanical behaviors of joints were also evaluated experimentally under both quasi-static loads and cyclic loads. Scanning Electron Microscope (SEM) and high-resolution X-ray micro-CT scan were used to examine micro damages in laminates. Damage and failure behaviors of joints were characterized. The results demonstrated that the hole entrance in upper laminate and the laminate boundary near the hole wall were the most critical regions for damages during bolt insertions. However, the influence of those damages on quasi-static failure loads and fatigue failure modes of joints was minimal. Delamination and matrix cracking occurred first in laminates following fiber and matrix fracture in quasi-static tensile tests. Interference fit could improve the fatigue resistance of the laminate hole; however, the bolt seemed to suffer a more critical local fatigue loading condition. This paper can contribute to composite structure designs, especially in understanding damage and failure behaviors of composite bolted joints.     

高可靠度TC17基复合材料叶环破裂转速预测技术研究

为了建立安全可靠预测TC17基复合材料叶环破裂转速的方法,尽快实现其工程应用,开展了SiC连续纤维增强TC17基复合材料叶环结构破裂转速预测技术研究。测定了复合材料叶环成型过程所导致的TC17基体力学性能变化规律,仿真分析了由于热不匹配导致的热残余应力对复合材料叶环强度的影响。考虑复合材料试棒和叶环结构的差异,建立了基于复合材料试棒拉伸强度极限的高可靠度复合材料叶环破裂转速预估准则。完成了复合材料叶环强度试验件设计、制备和试验验证,并对试验件进行了断口分析。结果表明：复合材料叶环成型后,TC17基体合金本构模型将发生改变,其屈服和拉伸强度都有较大程度的下降,强度分析时应予以考虑。复合材料叶环成型工艺所导致的叶环热残余应力使得复合材料增强芯的同一半径处的周向应力沿轴向产生了梯度,其周向和径向最大应力均有明显降低,还导致叶环残余变形最大位置发生了变化。在旋转试验过程中,应变实测值与仿真结果相近。断口分析结果证明本文研究的复合材料叶环结构实际破裂模式为周向破裂,与所建立的仿真方法和评估准则预测的破裂模式一致,且破裂转速的预测精度较高,并保证了设计的安全性,可满足工程应用需求。     

航空发动机复合材料机匣弹道冲击特性

为获得复合材料作为风扇包容机匣时遭受叶片冲击载荷时的动态响应、损伤与失效模式,在空气炮装置上使用叶片形弹体对Kevlar织物层合板开展了弹道冲击试验,结果发现:复合材料靶板厚度提高25%,复合材料靶板吸收的能量提高约92%;随着叶片弹体速度的增加,复合材料靶板的损伤破坏逐渐严重,从轻微的压痕,转变为横向和纵向裂纹与分层损伤,再转变为矩形穿孔,同时靶板背面出现纤维断裂、纤维拔出与分层失效等现象;在叶片弹体撞击下,靶板上在与弹体接触的局部区域形成鼓胀变形,并在弹体击穿或反弹后发生变形回复;叶片弹体的横滚角将导致叶片的作用范围增大,使得靶板抗冲击性能有所提高。      

考虑含界面裂纹应力集中系数的复合材料强度计算

弱界面复合材料受横向拉伸时,界面会在材料整体破坏前发生脱粘,材料横向拉伸强度甚至远低于纯基体的拉伸强度。为了准确地预测弱界面复合材料的偏轴强度,需要考虑和量化纤维埋入及界面脱粘对基体现场强度的影响。定义考虑界面裂纹的应力集中系数,提出一种新的方法用于预测弱界面复合材料在任意角度偏轴拉伸作用下界面脱粘对应的临界外加载荷和材料的整体强度;并对不同种类的复合材料进行算例分析。结果表明:加入新定义的应力集中系数可以明显提高预测的准确性。