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。     

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。     

湿热对单向复合材料层合板Ⅱ型分层特性的影响

利用横向裂纹拉伸试验模型（Transverse Crack Tension-tension Test）,在3种湿热环境（室温、85℃和85℃/95%RH）条件下,对2种单向碳纤维增强树脂基复合材料（T300/QY8911和HTA/6376）层合板的Ⅱ型分层特性进行了试验研究。结果表明湿热环境导致复合材料层间断裂韧性降低,引起Ⅱ型应变能释放率门槛值显着下降,裂纹扩展速率大大提高,温度的影响较湿度更为明显。利用电镜（SEM）对试样分层表面进行了检测,湿度对断面特征无明显的影响。     

考虑分层损伤的复合材料螺栓连接强度预测与损伤分析

针对传统复合材料损伤分析方法未考虑界面层的损伤问题,基于三维累积损伤分析方法和内聚力模型方法,建立一套能够综合考虑面内损伤和层间损伤的复合材料螺栓连接数值分析模型。通过对两种典型复合材料单钉接头进行强度分析,表明该计算方法比传统有限元方法具有更高的精度。基于该模型,对接头层合板的分层扩展以及拧紧力矩对接头强度和分层扩展的影响进行研究。结果表明:分层扩展方向和层合板断裂方向是一致的;拧紧力矩对连接强度有明显提高作用,并且对孔边分层扩展有抑制作用。     

含分层缺陷复合材料层合板压缩强度试验研究

复合材料层合结构在生产和使用过程中经常会出现分层损伤,为研究分层损伤对复合材料层合结构压缩强度的影响,对含预制分层缺陷的复合材料层合板进行了静强度压缩试验研究,主要研究了沿层合板厚度方向2种不同位置的分层缺陷对复合材料层合板压缩强度的影响.试验结果表明:2类试验件断裂位置均主要集中在预制分层缺陷的边缘,断裂部位呈现不同程度的分层扩展;2类试验件的压缩强度较无初始缺陷的试验件分别降低9.04％和8.60％,说明分层缺陷的位置对复合材料层合板压缩强度的影响程度略有不同,分层缺陷位于层合板厚度方向中间位置时对压缩强度影响较大.     

复合材料层合板抗冲击损伤的参数表征

研究了铺层方式为［０２／９０２／４５２／－４５２］ｓ的航空用碳纤维增强树脂基复合材料（ＣＦＲＰ）准各向同性层合板低速冲击引起损伤的表征问题。通过落重冲击试验引入损伤程度Ｄ表示材料低速冲击后材料参数的变化大小，通过准静态球面弯曲试验提出复合材料层合板抗冲击的三种表征参数：层内开裂临界能Ｅ１ｃ、层间开裂（分层）临界能Ｅ２ｃ、分层扩展阻力Ｒ．     

分层损伤对含孔复合材料层合板剩余强度影响

以国产碳纤维复合材料CCF300/QY8911含孔层合板静力拉伸试验为基础,建立了符合其损伤失效模式的有限元三维预测模型.通过引入Cohesive界面单元分析了层合板拉伸过程中的分层扩展,数值模拟的结果与试验结果吻合较好,破坏载荷预测结果与试验数据相比误差在5%以内.根据CCF300复合材料构件在制造过程和实际使用中产生的孔边分层缺陷的情况,在孔边预置分层,分析了初始分层损伤对于层合板剩余强度的影响.结果表明表面预制分层对剩余强度影响较小,但会引起自由边提前分层失效.      

含分层损伤复合材料层合板振动特性

针对复合材料层合板分层损伤区域上、下子板的畸变模态,采用自定义矩阵单元模拟其损伤区的接触刚度,建立了一种合理的层合板分层损伤有限元振动分析模型;在此基础上研究了分层深度和分层大小对复合材料层合板振动特性的影响.数值模拟结果与实验结果的对比表明:采用的自定义矩阵单元可以有效地模拟层合板的分层损伤,模态计算值与实验值的最大误差为10.67%,最小误差为0.34%;分层深度和分层大小对复合材料层合板振动特性有较大影响,随分层深度变化,固有频率最多下降50%;随分层大小变化,前4阶固有频率最多下降12%.      

CFRP层合板雷击烧蚀损伤模拟的电流加载方式分析

通过改进加载方式减小数值模拟与试验结果误差对于提高仿真准确性具有一定意义。本文探究复合材料层合板在不同形式雷击电流下的烧蚀损伤特性，改进Braginskii 电弧半径扩展公式，建立适用于雷击过程的电弧扩展半径数值模型；基于ABAQUS 建立CFRP 层合板有限元模型，分析不同电流加载方式下的烧蚀损伤情况。结果表明：建立的有限元模型能够模拟CFRP 层合板雷击烧蚀损伤；扩展移动加载造成的损伤面积、损伤深度和损伤体积与试验结果对比误差均约为7%，较其他加载方式仿真结果与试验结果对比具有良好的一致性，模拟复合材料雷击烧蚀损伤时应同时考虑电流扩展和移动的影响。     

复合材料紧固孔分层激光超声量化表征试验

提出解决飞机复合材料结构紧固孔分层检测问题的途径。基于激光超声技术,进行复合材料紧固孔分层的量化表征试验。制备碳纤维增强复合材料紧固孔试样,根据复合材料中激光超声的激发参量选取原则,利用材料受脉冲激光辐照作用产生的热弹效应激发超声波,提取表征紧固孔区域分层缺陷的超声信号;分析影响缺陷表征准确度的关键因素,发现脉冲激光光斑尺寸（直径1~5 mm）变化对紧固孔分层的表征不产生显著影响;基于穿透法和脉冲反射法进行激光超声C扫描检测,得到紧固孔区域分层缺陷的形状、尺寸和位置特征。研究结果表明,利用激光超声技术的非接触式激发、接收和高分辨力特点,可以准确测得紧固孔区域分层缺陷导致的波反射和衰减,有效表征飞机复合材料结构的紧固孔分层缺陷。     

碳纤维复合材料超声扫描分层检测及评价方法

由于碳纤维增强复合材料（CFRP）具有各向异性的特点,在其钻削加工中极易形成分层、撕裂以及毛刺等加工缺陷,而分层对碳纤维层合板构件的性能影响最大,因而建立一套准确的针对分层缺陷的检测、描述以及评价方法对层合结构碳纤维复合材料的有效应用具有重大意义。从分层缺陷的形成机理出发,通过对现有分层缺陷的检测以及评价体系的分析,提出了基于高频超声扫描显微镜（SAM）来进行分层缺陷检测评价的三维体积分层因子评价方法,并针对T800/X850碳纤维单向层合板对该方法进行了定征试验,最后通过对实际加工孔的分层缺陷的评价,综合对比了三维体积分层因子评价方法与传统评价方法的应用效果。结果表明：分层缺陷是由力热耦合引起的层间粘结失效,出口处更为严重;用超声扫描显微镜检测分层,可检测不少于8层的碳纤维复合材料,至少可以清晰表达5层的内部分层特征;分层会发生隔层传播,并且两个相邻铺层为同向的层间结合强度最好,不易产生隔层传播;三维体积分层因子可以更准确清晰地评价复合材料层合结构的内部缺陷。     

分层缺陷对复合材料加筋层压板压缩强度的影响

针对飞机复合材料加筋层压板结构,设计了含有预埋分层缺陷的复合材料加筋层压板的典型试验件以及压缩试验装置,研究了分层缺陷位置和大小对加筋板压缩强度的影响。研究结果表明:分层缺陷会改变加筋板的破坏模式,浅表分层在压缩过程中表现为局部屈曲模态,局部屈曲强度只有其破坏强度的30%~60%,分层直径增加,局部屈曲强度降低。局部屈曲发生后,加筋板尚可进一步承载,直至层板失稳破坏。本文给出的数据和结论对实际飞机结构设计的参数确定和生产过程中的超差问题处理具有重要参考价值。     

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。     

碳纤维/双马树脂复合材料整体成型过程分层扩展行为实验研究

针对复合材料构件热压罐成型过程中常见的分层缺陷,考察了整体成型工艺温度对分层扩展、QY8911双马树脂基体韧性及T300/QY8911层合板Ⅰ型层间断裂韧性的影响,并通过分层扩展断面形貌深入分析了复合材料整体成型工艺中分层扩展的路径和断面破坏模式,给出了复合材料整体成型工艺和结构设计的优化建议措施。结果表明,随着整体成型最高温度的升高,分层扩展程度增大,QY8911双马树脂基体的拉伸强度和拉伸模量逐渐降低,T300/QY8911层合板Ⅰ型层间断裂韧性逐渐增大;对分层扩展断面进行SEM扫描电镜分析发现分层扩展沿着层间开裂,断面内存在基体断裂和基体/纤维界面脱粘两种破坏模式,Ⅰ型层间断裂是复合材料整体成型工艺中分层扩展的典型微观特征。     

复合材料整体化加筋壁板高速冲击损伤数值模拟

 以复合材料结构抗弹性能分析与设计为目的,根据纤维的线弹性假设和基体的粘弹性假设,推导了复合材料单向板的粘弹性本构关系,导出了高应变率下复合材料层板的一阶剪切理论,建立了复合材料整体化加筋壁板高速冲击有限元分析模型.该模型引入界面单元模拟复合材料层间分层以及筋条与壁板间的脱粘损伤,结合Hashin失效准则进行筋条和单层板面内损伤识别,引入材料刚度退化,采用非线性有限元方法,研究了复合材料加筋结构高速冲击的破坏过程及损伤特性.数值分析结果与实验结果吻合良好,证明了该方法的合理有效性.探讨了筋条参数对高速冲击损伤的影响规律,获得了一些有价值的结论.