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。     

复合材料薄板斜接式挖补修理稳定性优化设计

对复合材料层合板挖补修理模型进行了稳定性优化分析。采用ARSM优化算法研究了挖补修理结构失稳载荷与挖补角、胶层厚度以及补片材料与母板材料匹配对挖补修理后复合材料薄板失稳载荷大小的影响,得到了各母板材料对应的稳定性最优挖补修理模型。结果表明,补片材料各方向上的模量匹配非常重要,硼纤维层合板的6个方向上模量搭配最优,硼纤维层合板补片为各个修理方案中的最佳补片材料。当胶层厚度和挖补角参数增大时,失稳载荷逐渐增大,在挖补角与胶层厚度最佳匹配范围内,失稳载荷很快达到最大。在挖补角与胶层厚度脱离最佳匹配范围内后,失稳载荷迅速减小,进一步说明ARSM优化算法可以高效地完成挖补修理结构的稳定性优化分析。     

多工况下复合材料层合板开口补强优化设计

复合材料层合板广泛应用于航空航天结构,其开口补强问题一直备受关注。以含大开口的复合材料层合板为研究对象,针对拉伸、剪切、压缩三种不同工况,分别采用不同材料和不同补强型式进行补强结构优化设计。以补强结构重量为目标函数,采用多级优化方法,对补强结构参数进行优化设计。对不同补强型式,不同补强材料下的重量特性进行对比分析。结果表明：在不同工况下,相较于螺接补强和共固化补强,插层补强型式较优,结构重量增加较小。     

双面贴补层合板压缩屈曲渐进损伤分析

贴补复合材料层合板在压缩载荷作用下的屈曲破坏强度及其损伤演化过程对于复合材料结构修理具有重要意义。本文基于应变和黏聚区模型(CZM)建立了贴补复合材料层合板的渐进损伤分析模型,引入复合材料与胶层的损伤判据和刚度退化方案,计算了结构屈曲强度。数值仿真结果和实验数据吻合较好,验证了模型的有效性。基于该模型,采用非线性有限元方法研究了压缩载荷下双面贴补复合材料层合板的屈曲损伤演化过程,并讨论了补片参数对结构屈曲强度的影响。研究结果表明:双面贴补复合材料层合板屈曲后,处于拉伸和压缩状态下的铺层中的损伤程度存在差异;增大补片直径与厚度可以在一定程度上提高双面贴补复合材料层合板的屈曲强度。     

复合材料层合板低速冲击损伤影响因素分析

运用ABAQUS软件对复合材料层合板低速冲击下的损伤状态进行模拟,采用单一变量法,以损伤面积为表征参数,针对影响低速冲击下复合材料层合板损伤性能的诸多因素进行分析,以便在材料研制的初期预见其损伤阻抗.分层损伤是层合板低速冲击下的主要损伤形式之一,基于损伤力学、断裂力学和黏性理论,建立零厚度的三维界面单元来精确模拟层间分...     

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。     

复合材料层合板结构冲击损伤数值模拟的损伤力学模型

针对复合材料结构低速冲击损伤问题,基于连续损伤力学提出了一种动力学冲击条件下的三维损伤数值模型。模型中区分了层内损伤（纤维拉伸与压缩失效、纤维间拉伸与压缩失效）和层间分层损伤不同的失效模式。采用三维Puck失效准则与考虑压缩抑制效应的Aymerich准则对上述两类损伤进行判定,材料失效后基于连续损伤力学中线性软化模型对材料损伤进行演化。模型中考虑了复合材料层合板结构中子层的就位效应和损伤分析中的“连锁效应”。通过对Shi的冲击试验进行数值模拟,模型预测的冲击接触载荷、分层形状和尺寸与试验结果吻合较好,证明了所提出的数值模型对复合材料层合板结构低速冲击损伤预测的有效性。     

复合材料层合板的开口补强研究进展

复合材料在航空结构中的应用越来越广,在复合材料层合板上开口对其结构力学性能的影响需引起研究人员的重视。针对国内外近十年来的研究工作,系统地回顾了复合材料层合板的开口力学性能及补强设计方法的研究进展,从开口区域应力集中、开口层板稳定性研究、失效模式及补强方法等方面做了阐述;并对未来含有开口的复合材料结构设计的研究提出了一些建议。     

含分层缺陷复合材料层合板分层扩展研究

采用基于粘聚区模型(CZM)的粘接元方法对含分层缺陷复合材料层合板进行了分层扩展研究。在缺少材料层间试验数据的情形下,应用了一种参数估算法确定粘接元的界面强度和刚度,并计算得到了含分层缺陷复合材料层合板的分层起始及扩展载荷,计算结果与试验值吻合良好,验证了所用方法的有效性。在此基础上,分析了不同分层位置对分层屈曲载荷、分层起始及扩展载荷的影响,并讨论了铺层角度对分层扩展方向的影响。     

基于CDM的开口复合材料层合板结构损伤问题研究

为研究含开口复合材料层合板结构在面内载荷作用下的损伤破坏问题,基于CDM基本原理,从平面应力状态下的Gibbs自由能出发,建立描述复合材料层合板结构层内断裂破坏的二维渐进损伤关系;基于ABAQUS材料用户子程序,将上述渐进损伤关系与二维Hashin失效准则相结合,开发复合材料损伤本构模型,并对含开口复合材料层合板结构在拉伸载荷作用下的破坏过程进行数值模拟;通过与文献试验数据的对比,证明该模型在平面拉伸载荷状态下可以有效预测含开口层合板结构的损伤起始与扩展过程,对层合板强度的预测误差较小。应用上述模型对三种不同开口类型层合板结构在剪切载荷作用的下损伤、破坏分析,结果表明：对于相同面积的开口,不同的开口类型会导致层合板抗剪强度产生较大的差异;而在铺层相同情况下,椭圆形开口层合板的剪切强度相对较高。     

Material parameter modeling and solution technique using birth–death element for notched metallic panel repaired with bonded composite patch

This paper seeks to outline a novel three-layer model and a new birth–death element solution technique to evaluate static strength of notched metallic panel repaired with bonded composite patch and to optimize material parameters. The higher order 3D, 8-node isotropic solid element and 8-node anisotropic layered solid element with three degrees of freedom per node are respectively implemented to model substrate panel, adhesive layer and composite patch to establish three-layer model of repaired panel. The new solving technique based on birth–death element is developed to allow solution of the stress pattern of repaired panel for identifying failure mode. The new model and its solution are used to model failure mode and residual strength of repaired panel, and the obtained results have a good agreement with the experimental findings. Finally, the influences of material parameter of adhesive layer and composite patch on the residual strength of repaired panel are investigated for optimizing material properties to meet operational and environmental constraints.     

复合材料胶接修补结构剩余强度分析

随着复合材料在航空结构中的广泛应用,航空复合材料修补技术也成为研究热点。通过复合材料单面胶接维修方法,将抛物线型损伤演化规律应用于胶层的损伤分析。对商业有限元软件进行了二次开发并建立了数值模型,研究了补片尺寸与厚度对修补结构压缩强度的影响。对复合材料胶接修补结构试验件进行剩余强度试验,研究了补片形状、尺寸、厚度等参数对修补后结构压缩剩余强度的影响。数值模拟结果与试验值吻合良好,误差在5%以内。     

复合材料层压厚板接头失效分析研究

随着复合材料在航空工程中的广泛应用,需要对复合材料结构的强度问题进行探究,而国内对复合材料层压厚板接头的失效模拟与分析方法研究较少。为此,以复合材料厚板接头为研究对象,基于三维渐进失效分析方法,选取合理的本构关系、失效准则、材料退化模式,并利用Fortran语言编写Umat子程序完成渐进失效方法的应用实现。通过对比复合材料层压厚板接头静强度试验和计算结果,表明本文所采用的三维渐进失效分析方法计算得到的应变-载荷数据与试验结果基本相符,即本文方法能够较好地模拟层压厚板接头的拉伸破坏过程,且可实现变参迭代计算,可为复合材料厚板接头结构的优化设计提供参考。     

含低速冲击损伤层压板的压缩破坏研究

对复合材料的结构损伤演化过程的研究在飞机结构设计中具有越来越重要的工程指导意义。针对含低速冲击损伤层压板的压缩分析,提出了一种考虑层间损伤的三维有限元模型,该模型通过层间节点耦合方式,将复合材料层压板各子层粘合到一起,能准确、形象的模拟层间的相互作用。同时,基于累积损伤思想开发了复合材料层压板压缩过程的损伤仿真程序,该...     

复合材料损伤结构胶接补强修补分析及设计

对复合材料层合板采用20节点等参元、对于胶层采用节理单元建立有限元分析模型，并针对胶接补强修补的两种形式－－贴补和挖补编制了相应的三维有限元分析程序，进行静力分析，获得了修补参数对修补效果的影响曲线，据此来初步确定最佳的修补参数。     

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。     

复合材料胶粘修复界面的载荷传递仿真优化

胶接修复工艺是飞机结构修理的重要工艺之一,为了研究胶黏工艺对修复效果的影响规律,探索最佳的工艺参数,本文建立胶粘修复的三维模型,利用ANSYS Workbench有限元软件对胶粘修复界面载荷传递进行分析,讨论补片材料、补片厚度、胶层剪切模量和胶层厚度对胶接修复的影响。仿真结果证明补片材料为硼/环氧树脂时,胶粘失效风险最小;补片较厚时,胶接修复效果好,但补片过厚会削弱胶接修复的效果;胶黏剂剪切模量越大越有助于损伤区域的修复,工程应用中建议选用剪切模量较高的胶黏剂;胶层较厚时会增大胶层发生缺陷的概率从而减弱修复效果,建议合理选取厚度较小的胶层。最后提出修复界面的表面处理、复合材料端部的溢胶以及倒角处理均有益于修复结构的载荷传递,缓和胶粘界面应力水平,降低胶层失效的风险。     

Thermal damage analysis of aircraft composite laminate suffered from lightning swept stroke and arc propagation

Lightning strike is a complicated process involving multi-field coupling. In order to investigate the thermal damage mechanism of carbon fiber reinforced composites subject to lightning swept stroke, a complete numerical method is presented. Numerical model of lightning discharge is established based on Magneto Hydro Dynamics (MHD) and calculated by FLUENT secondary development technology. Considering aerodynamic flow effect, channel formation and evolution process during lightning discharge is analyzed for lightning current waveform A. Thermal-electric Coupling model is presented according to Radial Basis Function (RBF) interpolation theory, which is implemented by compiling program to make lightning current and heat energy inject into composite laminate. Consequently, damage mechanism of composite laminate under lightning swept stroke is studied based on the coupled numerical model and element deletion method. Ablation damage morphology of composite laminate is analyzed to understand plasma expansion and reattachment in arc root. The results show that aerodynamic flow makes the lightning channel move fast and composite laminate is deteriorated due to thermal damage.     

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。