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。      

裂纹张开载荷的计算及其应用

本文利用超载后塑性区内残余拉件应变的概念,建议了一个计算裂纹张开载荷的数学模型,并导出了相应的计算公式。 应用此模型可以解释加交变循环载荷时疲劳裂纹扩展速率较高的现象。有不同类型的超载时,疲劳裂纹扩展的迟滞效应,也可以定量地加以估算。计算结果与实验结果符合得较好。     

表面裂纹超载迟滞效应的研究

本文研究了含表面裂纹试件在疲劳载荷作用下承受单峰超载时的裂纹扩展的迟滞效应。发现:使裂纹滞止的临界超载比有所提高;在同样超载比时,裂纹在c向(沿表面方向)的迟滞循环数比在a向(沿深度方向)的迟滞循环数要多;迟滞效应的影响区约等于(或略大)按lrwin公式计算的由超载引起的单调塑性区长度。用[1]中建议的计算模型对迟滞循环数进行预测,结果与实验数据符合得较好。     

湿热对单向复合材料层板断裂韧性及疲劳裂纹扩展的影响

就湿热(70℃,相对湿度RH100％)环境对T300/914C石墨/环氧单向复合材料层板层间断裂韧性的影响进行了研究。用扫描电镜对断口形貌进行观察,不论是湿热处理的或是室温放置和经干燥处理的,断口形貌无明显差异。我们还对上述DCB试样在交变载荷作用下裂纹的扩展行为进行了研究。找出了裂纹扩展速率da/dN与最大循环应变能释放率G_(Imax)关系式da/dN=A·G_(Imax)~B中的A和B两个常数的数值。经湿热处理的DCB试样疲劳裂纹扩展速率与干燥试样相比有所降低。我们分别用断口形貌、断裂机理和断裂力学原理分析了湿热环境对复合材料性能的影响。     

钛合金恒幅载荷下腐蚀疲劳裂纹扩展影响因素和机理的综述

本文评述了钛合金恒幅载荷下腐蚀疲劳裂纹扩展的影响因素:循环加载频率,循环载荷波形,合金成分,组织结构和热处理,以及介质种类,pH值,温度等。介绍了钛合金腐蚀疲劳裂纹扩展机理和几种模型。最后作者对研究钛合金腐蚀疲劳裂纹扩展速率提出了一些看法。     

湿热环境下碳纤维层合板拉伸疲劳性能

湿热环境是影响复合材料层合板力学性能的主要因素之一，研究湿热环境对复合材料结构的影响对于保证飞行结构安全具有非常重要的工程应用意义。研究碳纤维复合材料层合板在室温干态（RTD）、低温干态（CTD）和高温湿态（ETW）3种环境条件下的拉伸疲劳性能，获得3种环境下的S-N曲线与层合板疲劳破坏模式。在此基础上，建立层合板有限元分析模型，对其疲劳性能进行研究，分析讨论温度及湿度对层合板疲劳性能的影响，建立层合板疲劳寿命环境影响因子的确定方法。结果表明：湿热环境对正交层合板的拉伸疲劳性能影响很大，疲劳寿命为106次时，与RTD环境相比，CTD环境下层合板的疲劳强度下降了2.76%，而ETW环境下下降达到23.77%;ETW和RTD环境下破坏模式以纤维断裂和分层为主，而CTD环境下却几乎全为纤维断裂破坏；S-N曲线包括疲劳强度快速下降和缓慢下降2个阶段；温度对疲劳性能的影响要明显强于湿度，温度超过45℃时湿度对疲劳性能的影响进入强影响区。     

缝合复合材料可用性——简单层合板的基本性能

为了解决缝合复合材料在飞机结构中的应用问题,通过试验方法研究了缝合以及缝合方向对T300帘子布/QY9512单向层合板与正交对称层合板拉伸和压缩性能的影响,得到了T300帘子布/QY9512材料的部分基本性能常数.研究表明,缝合与缝合方向对这两种层合板的模量影响不大,但对单向层合板的泊松比影响较大,而且偏轴后缝合单向层合板的泊松比不满足偏轴转换关系.缝合及其方向对单向层合板的拉伸强度影响很大,而对压缩强度影响却不明显.缝合正交对称层合板中铺层的拉伸破坏机制与缝合单向层合板的破坏机制不同,因此不能用缝合单向层合板的拉伸强度作为正交层合板内铺层的强度极限.      

谱载荷作用下的裂纹扩展计算模型

最简单的谱载荷是在基本循环载荷中施加单一或多个拉伸和拉—压过载的情况。有过载作用,裂纹扩展速率显著降低。实验证明,过载迟滞效应最大点、即裂纹扩展速率最低点不是在刚施加过载之后,而是距过载点有一段距离,即所谓延缓滞后或推迟延缓(delayed retardstion)效应。现有的计算模型大多未考虑这一效应,因而与实际情况有很大差别。有的模型,例如松冈模型虽然考虑了这一效应,但表达这一效应的参数必须由实验确定,这样就使该模型应用很不方便。本文根据产生推迟延缓的机理和对试件的断口分析,提出了一个确定这一参数的计算公式,进而提出了对拉伸过载和拉—压过载作用下的裂纹扩展计算模型。用本模型计算了几种材料在不同加载条件下的迟滞效应,计算结果与实验结果相当符合。 由于本模型可以计算拉仲过载和拉—压过载等情况下的迟滞效应,因而作一些合理的假设可用以计算复杂谱载荷作用下的裂纹扩展速率和寿命,本文计算了飞机起落架施旋转臂和机翼加劲板在谱载荷作用下的裂纹扩展寿命,计算结果与实验或统计结果基本符合。     

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.     

疲劳载荷下表面裂纹扩展时形状变化规律的研究

本文通过对Ly—12CZ铝合金板和30CrMuSi钢板表面裂纹在拉伸疲劳载荷作用下裂纹形状变化实验数据的分析,提出拉伸疲劳载荷作用下表面裂纹形状比a/b和深度——板厚比a/t随裂纹扩展时的关系式。利用此式进行理论计算,其结果与实验较符合。 此关系式对具有表面裂纹结构剩余寿命和剩余强度计算均有一定实用意义。     

含椭圆分层缝纫复合材料层板的局部屈曲研究

建立了分析含椭圆分层的缝纫增强复合材料层板压缩屈曲问题的三维模型.通过应用瑞利-里兹法研究了分层椭圆几何参数和缝线等效弹性系数对压缩屈曲载荷的影响.分析结果表明,缝纫对提高临界曲屈载荷的作用十分明显,随着缝线等效弹性系数的增大,临界曲屈载荷迅速提高;分层椭圆的长轴垂直于载荷方向时,临界曲屈载荷最小,并且随长轴的长度增大时,临界曲屈载荷减小并逐渐收敛.     

分层缺陷对复合材料层板压缩性能的影响

基于影像云纹法、表面应变测量、分级加载超声C扫描3种观测手段,对含有不同位置、尺寸、数量预制分层缺陷的复合材料层板进行了压缩试验研究,对试验中产生的子层屈曲、分层扩展、层板失稳等现象进行了细致的观察、对比与联系.结合试验结果,总结了3种不同的分层扩展模式,并基于分层扩展模式分析了子层屈曲、层板失稳等现象的产生机理.结合上述试验现象,通过比较临界失稳应力、最终破坏应力、分层纵向扩展范围等试验结果,系统地分析了分层缺陷对复合材料层板压缩性能的影响.研究结果可为复合材料结构损伤容限设计提供依据.      

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.      

带包边的对称正交铺层复合材料层板分层问题的解析——广义变分解法

对于对称正交铺层复合材料层板单向受拉分层问题,本文根据穆什海里什维利的求解各向同性平面问题与列赫尼兹基的求解各向异性平面问题的复变函数方法,得到了满足所有基本方程、裂纹表面边界条件与层间连续条件的应力场、位移场的本征展开式。对于包边与不包边这两种情况,本文利用分区广义变分原理代替裂纹表面以外的边界条件,确定奇异应力场的控制量。由于所有基本方程预先得以满足,在变分方程中只有线积分而无面积分。计算表明,本方法前期准备工作简单,计算节省机时,结果收敛迅速。     

CFRP孔板拉伸疲劳环境效应的正交试验

为研究环境因素对CFRP孔板疲劳性能的影响,针对T300/QY8911含中心孔层压板设计并开展了正交试验研究.试验中采用标准试件在给定环境条件下测试其拉伸疲劳寿命,并通过对正交试验结果的方差分析研究了有无涂层、紫外辐射、环境湿度等环境因素及其交互作用对T300/Y8911复合材料孔板拉伸疲劳寿命影响的显著性.研究表明:在紫外、涂层、湿度及任意二者的交互作用中,有无涂层对复合材料孔板的拉伸疲劳寿命影响高度显著,有无紫外及涂层与湿度的交互作用对复合材料孔板拉伸疲劳寿命影响显著;而湿度、紫外与涂层的交互作用及紫外与湿度的交互作用对复合材料孔板拉伸疲劳寿命的影响均不显著.     

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。     

复合材料低速冲击损伤分析方法

为了研究复合材料层间损伤,建立了一种新型零厚度界面单元模型,可以准确预测复合材料低速冲击与冲击后压缩过程中的分层损伤.模型包括本构关系建立、损伤准则和损伤演化引入,并在大型商用有限元软件ABAQUS用户单元子程序VUEL中实现.层内使用三维实体单元,采用三维Hashin准则作为纤维与基体损伤的判据,并在用户子程序VUSDFLD中实现.将该模型应用于国产碳纤维增强树脂基复合材料(CCF300/5428)低速冲击与冲击后压缩的模拟分析中.结果表明:此方法能够准确预测复合材料低速冲击与冲击后压缩过程中的损伤,为复合材料低速冲击损伤分析提供了一种有效的方法.     

以裂纹长度为参量的疲劳裂纹扩展随机模型

建立了以裂纹长度为参数的疲劳裂纹扩展随机模型，给出了计算给定初始裂纹长度（定值或分布）和临界裂纹长度时的裂纹扩展时间分布的方法，以及计算给定初始裂纹长度（定值或分布）和寿命时的裂纹长度分布的方法，并给出了相应的计算实例。