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.     

T300/QY8911单向板湿热性能模拟与损伤分析

测试了不同湿热条件下T300/QY8911单向板的弯曲性能,建立了湿热条件下复合材料单向板的弯曲有限元模型,模拟了湿热条件下T300/QY8911单向板的弯曲性能,开发了复合材料损伤演化仿真模块,对湿热条件下T300/QY8911单向板弯曲损伤演化过程进行了仿真.结果表明:湿热条件下T300/QY8911单向板的弯曲模量具有较高的保持率,弯曲强度随湿热条件的变化差异较大,模量和强度的模拟结果与试验值的误差分别小于6%和2%,建立的弯曲有限元模型,能够比较准确地预测不同湿热条件下复合材料单向板的弯曲性能.     

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.     

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.      

湿热环境中含脱层复合材料层合板的界面裂纹扩展

处于恶劣湿热环境中的复合材料层合结构,受湿热残余应变和残余应力的作用,易产生局部屈曲和分层扩展。考虑湿热效应和脱层间接触效应的影响,对含脱层复合材料中厚板的非线性屈曲和界面裂纹扩展行为进行了理论分析。基于可动边界变分原理,建立层合板在湿-热-力载荷作用下的总势能,并推导出非线性后屈曲控制方程和脱层扩展能量释放率。应用摄动法和Galerkin法求解控制方程,获得以面内压缩载荷-挠度曲线为特征的含脱层复合材料层合板的后屈曲路径。根据求得的后屈曲解及Griffith断裂准则,确定脱层扩展临界压力的理论解。通过开发MATLAB程序,综合讨论了脱层尺寸、湿热环境对脱层复合材料层合板屈曲和扩展载荷的影响。研究结果与ABAQUS有限元解和经典理论解进行比较,验证了理论分析的有效性。结果表明:湿热环境会显著降低脱层复合材料层合板的屈曲载荷和扩展载荷。此外,忽略复合材料层合板的横向剪切应变将导致对层合板承载能力的高估。      

基于应变不变量失效理论的复合材料损伤模拟

应变不变量失效理论基于物理失效模式判断纤维和基体的损伤,适于研究纤维与基体的细观相互作用及固化残余应力的影响.介绍了应变不变量失效理论的物理背景,建立了正方形、六边形和钻石型细观代表体积单元模型,给出了宏观应变到细观应变的转换方法,提出了相应的失效模式和损伤演化准则.基于应变不变量失效理论求得了CCF300/5228材料体系的机械应变放大系数和热应变放大系数,对CCF300/5228复合材料开孔层合板的拉伸破坏过程进行了模拟,分析了纤维和基体的失效过程.计算与试验结果取得了较好的一致性,证明了该理论的适用性.     

复合材料层合板机械连接修理拉伸性能

带损伤孔的复合材料层合板拉伸强度会降低约55%,需要对其进行修理以恢复力学性能、满足使用要求。针对带圆形损伤孔的复合材料层合板设计了机械连接修理方案,通过轴向拉伸试验评估其修理效果。根据试验条件建立了有限元模型,分析不同的修理方案对破坏模式、破坏载荷、应力分布、钉载分配等产生的影响。试验及有限元分析(FEA)均表明,修理后的复合材料层合板,其强度恢复率达到55%~60%左右,应力集中部位主要在修理区域最外侧的钉孔旁,最终破坏模式为母板沿修理区域最外侧一排钉孔断裂。使用双面修理、增加螺栓排数、采用金属补片、适当增加补片厚度,可减缓应力集中,改善钉载分配,提高结构强度恢复率。      

复合材料端框渐进损伤分析方法与试验

针对复合材料格栅加筋圆筒的上下端框,进行了3种不同尺寸和铺层顺序的端框片段模型的拉伸试验,得出其破坏形式和极限载荷.建立端框的有限元模型,基于不同的强度理论进行端框的渐进损伤分析,并对计算结果进行比较.以Zinoviev强度理论为基础,从破坏判据和刚度衰减两方面将其扩展为三维理论,并结合Hashin准则进行破坏模式的判断,形成了改进的Zinoviev强度理论,并以此进行端框模型的损伤演化分析和强度预报,数值模拟结果与试验结果取得了很好的一致性.     

复合材料混合连接结构拉伸性能与影响因素分析

胶螺混合连接设计适当,能够提高结构的连接效率.针对复合材料胶螺(螺钉)混合连接结构中存在的分析与设计问题,在ABAQUS软件平台上建立了损伤累积三维有限元模型,其中考虑了胶层物理非线性以及非线性接触等问题,连接结构拉伸强度及损伤破坏过程的计算结果与试验结果基本吻合,证明了所建模型的有效性.在此基础上,研究了复合材料层合板端头翻边、胶层厚度、胶层韧性以及接触面摩擦系数等因素的影响.结果表明:复合材料层合板端头翻边对混合连接结构具有增强作用,能够提高结构的拉伸强度;韧性胶层能够提高结构的拉伸强度,但胶层厚度对结构的强度基本没有影响;螺钉杆与连接孔接触面间摩擦系数越大,连接结构的拉伸强度越高.     

湿热问题全复合材料夹层板面芯分层屈曲研究

根据含面芯分层损伤的均衡复合材料夹层板在面内载荷作用下的变形特点,建立了一个基于分析椭圆分层局部屈曲变形的二维模型,考虑了分层边界附近未脱胶芯子对分层子板的影响,利用复合材料层板湿热本构关系式和瑞利-里兹法对面芯分层的屈曲进行具体的研究,分析了不同材料面板,不同铺层以及各种湿热情况对临界屈曲载荷的影响.结果表明,湿热情况便夹层结构刚度和强度下降.     

复合材料开孔层压板压缩长期强度预测

Accelerated testing methodology (ATM) predicts long-term strength in low temperature with short-term in high temperature, which is based on the viscoelasticity of matrix and the time-temperature superposition principle (TTSP). The strain invariant failure theory (SIFT) was modified by using micro maximum strain criteria to judge fiber tensile and compressive failure. Master curve of storage modulus of epoxy resin and the time-temperature shift factors were tested from dynamic mechanical analysis(DMA). Master curves of SIFT critical parameters were constructed by tension and compression test for unidirectional carbon fiber reinforced plastics (CFRP) under various temperatures with the time-temperature shift factors of matrix resin. Long-term compression strength of open-hole composite laminates was predicted based on SIFT/ATM combined method. The damage process of fiber and matrix was simulated by progressive damage analysis as well. Good agreement between numerical results and experiments was observed, which demonstrates the applicability of this method.     

复合材料结构三维有限元分析的材料参数

在调研现有文献复合材料结构三维数值分析中材料参数的基础上,阐述了基于单层板材料性能数据建立复合材料三维材料参数的方法.通过对复合材料π接头结构的三维数值模拟和试验,研究了三维材料参数中不确定参数对结构刚度预测的影响;分别采用三维修正的最大应力准则、最大应变准则、蔡-胡准则和Hashin准则评价π接头的初始破坏,结合试验数据,研究不同失效准则对复合材料π接头结构的适用范围以及材料参数对初始破坏强度预测的影响.研究工作可为一般层合复合材料结构的三维建模提供参考,并为深入理解复合材料π接头结构力学性能、准确预测其破坏强度提供理论支持.     

三维编织复合材料圆柱销剪切试验与数值模拟

复合材料紧固件连接技术是复合材料结构加工制造的关键技术之一,针对三维编织复合材料圆柱销紧固件的剪切性能进行了试验和有限元数值模拟分析。试件采用了三维全五向编织工艺进行制备。通过双剪性能测试得到了三维编织复合材料圆柱销的极限承载能力和破坏断裂形式,采用均匀化方法对圆柱销试件的宏观弹性常数进行了预测,采用改进后的Tsai-Hill准则并引入连续介质损伤力学建立了一套三维编织复合材料强度分析方法,并根据该方法对圆柱销试件在剪切载荷作用下的渐进失效破坏过程进行了有限元分析,计算结果与试验结果具有良好的一致性,表明提出的强度分析方法在预测三维编织复合材料结构件的宏观强度性能方面是有效可行的。      

湿热环境对CCF800/环氧挖补板拉压性能的影响

针对挖补修理后飞行器在服役期间会经历高温高湿环境，进行了湿热环境对挖补修理层合板（以下简称挖补板）拉压性能影响的研究。首先，测试了4种湿热环境下CCF800/环氧挖补板的拉伸和压缩性能；然后，建立了相应的湿热应力有限元模型，探索了不同湿热环境下挖补板内的湿热应力分布；最后，在此基础上建立了湿热环境下挖补板的拉伸和压缩力学模型，研究了湿热环境对CCF800/环氧挖补板力学性能的影响。试验结果显示，湿热环境使挖补板的承压能力降低，承拉能力提高，这与常理不符。经试验观察和机理分析，发现CCF800/环氧铺层中纤维弯曲是导致湿热环境下挖补板拉伸性能不降反升的主要原因。在考虑湿热环境时，制备CCF800纤维复合材料过程中需要格外注意纤维弯曲问题。      

蜂窝夹芯挖补修理结构弯曲性能研究

从试验及有限元2个方面对复合材料蜂窝夹芯挖补修理结构的弯曲性能进行研究。通过3点弯曲试验对无损及修理件弯曲性能进行测试,试验结果表明,蜂窝夹芯结构破坏模式为典型的蜂窝剪切破坏,修理件相比于无损件弯曲强度恢复率为110%,修理后结构弯曲刚度也略高于无损件;基于试验结果建立三维有限元模型对蜂窝夹芯修理结构的弯曲性能进行研究,通过用户自定义子程序VUSDFLD编写Hashin失效准则、基于应力的Besant失效准则,实现复合材料面板及蜂窝芯子2种材料的损伤起始及演化。数值模型得到的破坏模式、破坏载荷及弯曲刚度均与试验结果吻合得较好;改变有限元模型参数,研究损伤直径及补片厚度对修理后弯曲性能影响,结果表明,随着损伤直径从30~70 mm逐渐增加,修理件强度先增加后减小,并在损伤直径为50 mm时取得最大值,此外,补片厚度为1~2.5 mm时弯曲强度恢复率高于100%;本文为复合材料蜂窝夹芯结构的修理设计提供了可靠的数值模拟方法。      

碳纤维增强树脂基层板应变率相关损伤数值研究

为了研究高应变率载荷对于碳纤维增强树脂基复合材料变形破坏行为的影响,通过应变率修正式对复合材料的刚度与强度进行修正,建立了可考虑应变率效应的复合材料损伤数值模型,采用该模型对不同应变率条件下层板结构的面内破坏行为进行了模拟并与文献实验进行了对比分析。计算结果表明:本文所构建的数值模型可以有效预测树脂基层板结构在不同应变率条件下的破坏特征,并在材料刚度与强度硬化现象的预测方面有着较高精度;对于0°、90°铺层主导的试件,由于其力学性能近似为线性,数值模型在强度预测方面获得了较高精度;而对于±45°铺层主导试件,其在不同应变率条件下表现出较强的非线性损伤特性,因此模型在其强度性能预测方面存在一定误差。     

海水干湿循环对初始损伤RC梁力学性能的影响

沿海环境下的钢筋混凝土(RC)结构处于荷载作用和环境作用同时存在的工作状态且在正常条件下会出现不同程度的荷载损伤。为了在实验室内模拟其工作状态,对RC梁试件施加幅值分别为0.3P_u、0.4P_u、0.5P_u、0.6P_u和0.7P_u(P_u为单调加载梁的极限荷载)的初始荷载造成不同程度的损伤,经历120次海水干湿循环作用后,进行单调加载试验测试剩余力学性能,并对梁试件钻芯取样测试不同位置及深度处混凝土的氯离子含量。试验结果表明,不同程度初始损伤RC梁经历120次海水干湿循环后,其屈服荷载、极限荷载和延性均随初始荷载幅值的增加而降低;与无损伤梁试件相比,当初始损伤荷载为0.4P_u时,梁试件的屈服荷载和极限荷载降幅分别为10.4%和7.9%,随着初始荷载增大,屈服荷载和极限荷载快速下降,当初始损伤荷载为0.7P_u时,屈服荷载和极限荷载降幅分别达33.7%和32.4%。氯离子含量测试结果表明,梁试件混凝土受拉区氯离子含量均大于受压区氯离子含量;当初始损伤荷载小于0.5P_u时,受拉钢筋表面混凝土的氯离子含量差别不大且小于0.1%,当初始损伤荷载为0.7P_u时,钢筋表面氯离子含量最大达到0.14%。可见,初始荷载损伤与海水干湿循环综合作用对RC梁力学性能及耐久性劣化影响显著。     

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。