复合材料层板冰雹高速冲击损伤预测及失效分析

针对冰雹冲击对复合材料结构安全造成的潜在风险,提出了一种基于连续介质损伤力学的非线性有限元模型,研究了碳纤维复合材料层板冰雹高速冲击力学行为。综合采用拉格朗日法和光滑粒子流体动力学（SPH）法对冰雹进行建模,引入水的状态方程描述冰雹破碎后的流动特性;考虑应变率的单向复合材料本构模型,根据三维Hashin失效准则及材料刚度折减方案,进行复合材料层内损伤预测;引入界面单元结合双线性内聚力模型模拟层间分层现象;编写用户材料VUMAT子程序,实现基于ABAQUS/Explicit显式模块的数值求解。模拟了冰雹高速冲击复合材料层板的瞬态过程,分析了材料的损伤特性和失效机理。探讨了冰雹冲击速度、冲击角度对层板冲击损伤性能的影响,为复合材料结构冰雹冲击问题数值分析提供参考。      

复合材料层板低速倾斜冲击损伤分析

纤维增强复合材料层板对低速冲击事件敏感，冲击产生的损伤会导致材料结构承载性能及使用寿命大幅下降。基于此，提出了一种基于连续介质损伤力学的有限元模型，研究了复合材料层板低速倾斜冲击力学行为。采用Hashin准则结合渐进退化模型预测层内损伤起始和演化；采用界面单元结合双线性Traction-Separation本构关系模拟层间分层；编写用户材料VUMAT子程序，实现基于ABAQUS/Explicit软件平台的数值求解。数值计算结果与现有正冲击下实验数据吻合较好，验证了模型的有效性。探讨了冲击角度、冲击能量对复合材料层板倾斜冲击力学性能的影响，分析倾斜冲击下层板损伤模式及失效机理，为复合材料结构倾斜冲击问题数值分析提供参考。      

蜂窝夹芯叠层板的低速冲击损伤分析

建立复合材料蜂窝夹芯叠层板（以下简称蜂窝板）低速冲击损伤模型,应用动态有限元分析程序估算蜂窝板低速冲击损伤的发生和扩展,该程序采用２０节点等参元和弹簧元分别模拟面板和促使闪芯,该模型建立在面板的初始损伤准则（蔡－胡强度准则）和损伤扩展准则（Ｆ．Ｋ．Ｃｈａｎｇ的冲击分层损伤判据）以及本文提出的蜂窝夹芯的简化损伤准则的基础上,并进行了低速冲击损伤实验以验证模拟计算结果,比较表明预测结果与实验数据吻合较     

复合材料层板低速冲击损伤有限元模拟

利用三维动态有限元模拟计算复合材料层板的低速冲击损伤的过程,采用了基体开裂判据和分层扩展判据,分类考虑不同的损伤形式,通过修正损伤铺层材料的常数来模拟层板损伤所造成的局部刚度下降对冲击过程的影响,讨论了接触定律在冲击损伤问题中的适用性,并结合实验结果给出适于严重冲击损伤层板的卸载定理,模拟计算结果得到的低速冲击后各界面的分层损伤面积与实验结果吻合较好。     

低速冲击下碳/玻混杂复合材料红外辐射特征

碳/玻混杂复合材料在工业应用中表现出巨大的应用潜力。基于红外热像法试验研究了碳/玻混杂复合材料层压板与2种非混杂材料低速冲击下的红外辐射特征。通过目视、超声C扫描和光学显微镜等方法确定冲击后层压板的损伤模式,分析热图序列的时序变化特征和温度分布特征,从而表征冲击过程中的热耗散效应。结果表明：红外热成像技术非常适合监测低速冲击下纤维增强复合材料的损伤过程,通过热图序列可以建立起监测特征与各损伤模式之间的联系;同时发现碳/玻纤维的层间混杂可有效提升碳纤维强基复合材料（CFRP）的抗分层能力,随着冲击能量增加其抗分层能力愈加明显,冲击后的碳/玻混杂复合材料兼具较大的表面损伤和较小的分层损伤,拥有较好的损伤容限。     

二维织物增强层合板高速冲击后拉伸性能模拟

针对目前国内直升机结构上常用的两种二维织物增强复合材料层合板进行了高速冲击后的拉伸性能分析.根据层合板高速冲击的损伤,在大型商用有限元软件的基础上利用逐渐损伤累积方法建立了损伤后层合板的拉伸损伤扩展与破坏的有限元分析模型,并将其计算结果与经验公式进行了对比.结果表明,该模型结果与经验公式结果吻合,且能直观给出各铺层的损伤扩展过程和机理,对于分析受高速冲击后二维织物增强复合材料层合板的损伤容限性能有重要参考价值.      

复合材料蜂窝夹芯板低速冲击后压缩强度估算

基于低速冲击后复合材料蜂窝夹芯板压缩破坏机理的实验研究,用当量分层来模拟Nomex蜂窝夹芯板的低速冲击损伤,假设当量分层区子层板的边界为固支,并且认为子层板失稳时夹芯板所承受的载荷为压缩破坏载荷.将计算结果与实验结果进行比较,表明了对面板无明显断裂的低速冲击损伤情况,用损伤当量法计算蜂窝夹芯板的剩余压缩强度是可行的.     

冲击位置对斜搭接接头冲击后拉伸性能的影响

低速冲击损伤对复合材料胶接结构的力学性能存在威胁。对在搭接区域3个不同位置承受低速冲击的斜搭接接头进行冲击后拉伸试验,并分别建立胶接接头冲击及冲击后拉伸有限元模型。试验结果表明:冲击位置在搭接区尖端背侧,造成的凹坑深度最大,冲击后拉伸强度最低;冲击位置在搭接区中部,凹坑深度最小,冲击后拉伸强度最大;冲击位置在搭接区尖端侧,凹坑深度及冲击后拉伸强度居中。有限元分析结果表明胶层损伤和复合材料纤维损伤的大范围扩展是导致结构失效的主要原因。      

复合材料开孔层板压缩渐进损伤分析

首先,针对纤维增强复合材料开孔层板进行了压缩试验,通过微距数显设备、电镜扫描和X光扫描设备检测了加载过程中的渐进损伤和试验件最终破坏模式,观测了损伤起始和45°与90°铺层间的分层现象. 其次,将复合材料开孔层板失效分为层内失效和层间失效,基于细观损伤力学MMF3理论和界面胶层单元方法建立了开孔压缩损伤跨尺度分析模型.最后,应用该模型对开孔压缩损伤起始、损伤扩展和层板破坏模式进行了预测,获得了纤维和基体损伤起始位置、分层产生位置及扩展过程、最终的分层和压入破坏等计算结果.计算结果与试验结果获得了较好的吻合,表明该计算模型适用于分析复合材料开孔压缩渐进损伤问题.      

复合材料静压痕与落锤冲击初始损伤对比试验

为了研究复合材料层合板的分层起始载荷,对不同材料体系和不同铺层数的复合材料层合板进行了准静态压痕试验和落锤冲击试验.得到了复合材料层板的分层起始载荷和冲击分层损伤能量门槛值,并对损伤情况进行了分析.结果表明,层合板的落锤冲击试验的分层起始载荷与冲击能级有关,并且分层起始载荷值随冲击能级提高而增加;准静态压痕试验的分层起始载荷值要低于低速冲击试验的分层起始载荷值;当冲击能量达到层板分层损伤能量门槛值时,层板发生大量分层损伤,层合板刚度出现急剧下降.     

低速冲击下复合材料加筋板的损伤阻抗性能

为确定冲击能量、几何尺寸对低速冲击下复合材料加筋板损伤阻抗性能的影响,对3组工型加筋板进行了试验和数值模拟研究。通过落锤式低速冲击试验,得到了试验件的接触历程、凹坑深度和分层面积等损伤特征。基于引入纤维断裂损伤的各向异性弹塑性理论建立了有限元(FE)模型,对试验件凹坑深度进行了模拟预测,模拟结果与试验结果吻合较好。研究表明,复合材料加筋板凹坑深度随冲击能量的变化曲线存在拐点,拐点后表面冲击部位出现纤维断裂。随着冲击能量的增大,试验件的最大接触力不断增大,而分层起始载荷及分层面积则变化不大。含1.5 mm深凹坑试验件对应的冲击能量和最大接触力随筋条或蒙皮厚度的增大而不断增大,而分层起始载荷仅随蒙皮厚度的增大而增大。      

复合材料单搭接胶接接头试验研究与数值模拟

针对不同搭接长度和不同被胶接件厚度的T300/QY8911层合板单搭接胶接接头进行了试验研究和数值模拟.建立了不同试验参数下的三维有限元模型,基于Hashin准则和连续介质损伤力学(CDM,Continuum Damage Mechanics)预测层合板面内损伤的起始和演化,应用黏聚区模型(CZM,Cohesive Zone Model)模拟层合板的分层损伤及胶层的失效.系统地研究了接头在不同参数下的失效模式、破坏形貌和极限载荷等的变化,模拟结果与试验吻合良好,验证了有限元分析模型的有效性.通过对接头的破坏形貌和应力分布进一步分析发现,胶接连接的失效模式和极限载荷均与胶接长度和被胶接件厚度有关;模拟接头胶接区在不同加载时刻的应力分布变化,反映了胶接连接在拉伸载荷下的破坏起始和演化过程.     

复合材料板件热分层分析及试验验证

针对飞行器用复合材料层合板件的热应力分层问题,进行了试验与数值模拟方面的研究.采用双线性内聚力单元用于模拟层合复合材料的分层现象;通过二次交互应力准则判断复合材料刚度降阶的起始点;并同时使用幂指数准则作为材料在混合破坏模式下的失效准则.数值模型中单层复合材料的力学性能和热膨胀性能分别由在高温（70℃）、室温（23℃）、低温（-50℃）环境下的相应测试进行确定.各复合材料层合试验件在仪器DIL-402C中经历了相同的温度变化过程,最大温差相差120℃.试验后发现,对于给定铺层的试验件,其两端中间层发生了层间分层.将数值模拟的结果与试验结果进行对比,对比结果表明数值分析与试验结果吻合良好,由此也可证明此分析方法的可行性与正确性.     

缎纹编织复合材料紧固件拉拔试验及数值模拟

缎纹编织复合材料紧固件中螺牙细节尺寸已达到细观尺度量级,若在数值模拟过程中对于螺牙采用统一的材料属性,则不能准确地模拟其真实失效模式。针对此问题,建立的紧固件螺牙有限元模型是由若干层简化缎纹编织复合材料细观结构代表体积单元堆叠而成,如此模型可包含必要的纤维分区和基体分区。对螺牙模型进行拉拔试验模拟,并基于各组分材料的失效判据,实现对紧固件破坏载荷的预报。完成了缎纹编织碳/碳复合材料单螺牙紧固件拉拔试验。模拟失效模式与真实失效模式吻合良好,二者破坏载荷误差为5.17%,验证了有限元模型的合理性。