含中心圆孔复合材料层合板失效分析及强度预测研究

对复合材料结构进行开孔将会导致结构强度显著下降。以含中心圆孔的复合材料层合板为研究对象,根据ASTM D 5766标准对三种不同铺层比例的含中心圆孔复合材料层合板进行拉伸试验,研究不同铺层比例对复合材料开孔拉伸试验件的拉伸性能和失效模式的影响。基于连续介质损伤力学,分别采用最大应变失效准则和基于物理失效机制的三维非线性Puck失效准则预测纤维和基体损伤的起始,通过应变表征损伤演化,建立含中心圆孔复合材料层合板的三维有限元模型;并进行数值分析,通过与试验结果对比,表明该模型能有效预测含中心圆孔复合材料层合板的拉伸强度和损伤扩展过程。     

含裂口损伤复合材料层合板拉伸试验及数值模拟分析

通过对无损、含损(不同长度的裂口损伤)的碳纤维复合材料层合板进行拉伸试验,研究了裂口损伤形式对碳纤维复合材料层合板拉伸性能的影响。经试验研究,碳纤维复合材料无损层合板的拉伸强度为517.37MPa;且裂口损伤使碳纤维复合材料层合板的拉伸性能显著降低。相比无损层合板的拉伸性能,裂口为5mm的层合板拉伸强度降低26.3%,裂口为15mm的层合板拉伸强度降低23.4%。采用基于三维渐进损伤失效准则编写的子程序对碳纤维复合材料层合板进行拉伸数值模拟分析,模拟了含损层合板的损伤起始过程。通过与试验结果进行比较,验证了模型的合理性。     

铺层结构对复合材料层合板拉伸性能的影响

设计并制备了6种不同铺层结构的层合板,通过对其进行拉伸试验,研究了不同铺层角度及不同铺层比例对层合板拉伸性能的影响。通过试验获得了6种复合材料层合板在拉伸试验中所能承受的极限拉伸强度,损伤特征以及载荷-位移曲线。结果表明:随着偏轴角增大,复合材料层合板拉伸强度逐渐降低,当45°和90°铺层体积分数相同时,45°铺层的层合板拉伸强度高于90°铺层的层合板;[0°/45°]铺层在表面可有效减小分层面积,由于内部剪切作用[0/90°]铺层更易出现分层。验证了复合材料层合板可通过改变铺层角度设计其力学性能。     

纤维切断拼接层合板的等效刚度

提出纤维切断拼接层合板的等效刚度计算方法,推导了拼接单元工程弹性常数的估算公式.通过拉伸试验测定了含铺层拼接层合板的工程弹性模量,并针对此类层合板进行了等效刚度计算,试验与计算结果一致.     

复合材料层合板开口补强技术试验研究

国内外学者对复合材料开口非对称补强做了很多研究,但主要集中在小开口的插层补强及共固化补强上。对用机械连接补强技术和插层补强技术补强后的层合板,进行拉伸和剪切试验;并采用有限元方法对补强后的复合材料层合板进行数值仿真,仿真结果与试验结果吻合得较好。经试验研究和数值仿真,得到各补强方案在各工况下的最大应变位置,并将不同补强方案进行对比。结果表明:插层补强方案优于机械补强方案。     

复合材料层合板开口补强技术试验和仿真研究

国内外学者对复合材料开口非对称补强做了很多研究,但主要集中在小开口的插层补强及共固化补强上。对用机械连接补强技术和插层补强技术补强后的层合板,进行拉伸和剪切试验;并采用有限元方法对补强后的复合材料层合板进行数值仿真,仿真结果与试验结果吻合得较好。经试验研究和数值仿真,得到各补强方案在各工况下的最大应变位置,并将不同补强方案进行对比。结果表明:插层补强方案优于机械补强方案。     

Z-pin增强复合材料层合板拉伸性能的试验研究及模拟分析

针对Z-pin增强复合材料层合板的拉伸性能进行了试验研究及模拟分析.拉伸试验研究了3种铺层方式的层合板:[0]6;[90]12;[45/0/-45/90]2S.模拟分析将根据引入Z-pin造成的复合材料层合板微观结构变化建立单胞模型来进行,通过调整单元材料坐标系的1方向来模拟Z-pin周边纤维偏转.通过试验研究和模拟分析得出了Z-pin对3种层合板拉伸强度的影响程度.研究表明Z-pin引入造成的面内纤维含量降低(由树脂富裕区引起)和纤维方向偏转(包括纤维面内偏转和厚度方向卷曲)是层合板拉伸性能降低的主要原因.通过模拟分析进一步得出:对于[0]6铺层层合板,Z-pin插入引起的纤维面内偏转是面内拉伸强度降低的主要因素;对于准各向同性层合板,Z-pin插入产生的树脂富裕区(降低了纤维含量)是面内拉伸强度降低的主要因素.     

含铺层拼接层合板的力学性能

为研究铺层拼接对复合材料层合板力学性能的影响,设计了含不同铺层拼接形式的碳/双马复合材料层合板试件.采用拉伸试验方法测定了材料力学性能,得到了不同拼接形式下层合板的拉伸强度.试验表明,含铺层拼接层合板的失效模式为层间剪切破坏和纤维断裂.建立了铺层拼接层合板的有限元模型,分析了铺层拼接对层合板应力分布和层间应力的影响.     

复合材料板冲击损伤及剩余拉伸强度试验

T300/BMP316是一种很有应用前景的航空航天结构复合材料,对两种不同铺层参数的T300/BMP316复合材料层合板进行了冲击损伤及剩余拉伸强度试验.结果表明,不同铺层参数对层合板冲击损伤投影图形的长轴方向有一定的影响,但对冲击损伤投影面积大小几乎没有影响,层合板的剩余拉伸强度与冲击损伤投影面积的大小没有直接关系.      

准静态加载下陶瓷基复合材料层合板应力-应变曲线的模拟

采用细观力学方法来模拟纤维增强陶瓷基复合材料层合板在准静态加载下应力-应变行为.采用层合板修正剪滞模型分析复合材料出现损伤时的细观应力场,通过临界基体应变能准则、Nair脱粘准则确定基体裂纹间隔和界面脱粘长度.最后结合剪滞模型和损伤机制模拟陶瓷基复合材料层合板应力-应变曲线,并与试验数据进行比较,结果吻合较好.      

复合材料层合板鸟弹撞击损伤分析

为了研究复合材料风扇叶片鸟撞损伤情况,对鸟弹在4个入射角度下撞击复合材料层合板的过程进行了数值模拟,建 立了复合材料层合板靶板模型;分析复合材料层合板与鸟弹碰撞后的受力以及复合材料层合板水平、垂直应变情况,并在此基础 上建立了真实风扇叶片模型用于模拟被鸟弹撞击的风扇叶片。结果表明：复合材料层合板鸟撞数值模拟结果与试验结果一致;综 合比较鸟弹的残余速度和复合材料层合板的损伤情况发现,在鸟弹入射角为30°时,复合材料层合板的抗鸟撞效果最好;复合材料 层合板的数值模拟应变最大值与试验应变最大值的误差在10%以内,验证了数值模拟结果的正确性;当风扇转速为6000 r/min 时,鸟弹入射角度越大,鸟弹与风扇叶片接触的时间越短,接触碰撞后鸟弹的速度减小越多,残余速度越小。     

复合材料层合板沉头螺栓接头拉伸性能试验与有限元仿真

根据ASTM标准设计了复合材料沉头螺栓单钉单搭接头拉伸性能试样,并完成试验件的制备和挤压性能试验。试验过程中采用非接触全场应变测量系统(VIC-3D)对载荷-位移曲线、表面应变场、沉头板上表面面外位移等试验数据进行了采集。基于Abaqus/Standard和Abaqus/Explicit模块建立了复材接头单向拉伸的静力隐式和动力显式三维有限元模型,利用模型搭接区域的变形对试验结果进行验证。采用静力隐式算法所得接头挤压刚度和层合板上表面末端面外位移与试验值的误差分别为14.4%和20.5%;采用动力显式算法所得接头挤压刚度和层合板上表面末端面外位移与试验值的误差分别为13.1%和11.9%。采用动力显式算法精度较高,而且其在接触建模时稳健性很强,可用于后续多钉连接接头以及整体壁板等大型复杂结构建模。     

碳纤维/双马复合材料层板疲劳损伤累积和寿命估算

给出了T300/QY8911材料单向板和多向层合板在不同应力水平下的拉-拉疲劳试验结果,提出了以疲劳应变累积为基础的损伤累积模型和相应的寿命估算方程。对于以纤维断裂和基体拉伸开裂损伤累积为控制因素的层板,理论结果与试验值十分吻合。     

含低速冲击损伤层合板的压缩破坏研究

层合板低速冲击后的压缩破坏研究对于复合材料结构设计具有重要意义.按照ASTM D 7136、D 7137试验标准对CCF300/5228层合板进行低速冲击和压缩试验;基于累积损伤理论,以低速冲击数值仿真得到的损伤作为初始损伤,结合应变失效准则和材料性能退化方法,建立含低速冲击损伤层合板的压缩破坏分析模型;使用该模型研究CCF300/5228层合板的损伤演化过程和剩余压缩强度.结果表明：该模型能够较好地解释试验过程中的损伤现象,预测含冲击损伤层合板的剩余压缩强度;损伤扩展和破坏模式与试验结果一致性好.     

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。     

有限宽层合板边界效应影响拉伸强度的修正方法

 本文分析了[0/90]_s,[45/-45]_s,以及π/4层合板的有限宽碳/环氧层合板在不同宽度下的拉伸强度。发现导致层合板过早破坏的原因,除了由于层间应力引起分层破坏外,主要是分层后的叠合铺层强度低于层合板强度;并给出了一般均衡对称的π/4层合板用有限宽试样测试拉伸强度时由于边界效应影响的修正方法。这是一种基于试验结果的经验方法。     

复合材料层合板鸟撞损伤及吸能影响因素数值分析

数值分析是进行复合材料构件抗鸟撞损伤设计工作中的重要内容.主要采用瞬态非线性有限元分析方法结合文献试验对层合板鸟撞过程进行数值分析,分析了鸟撞层合板的初始损伤情况以及某一时刻各层的应力、应变情况;对比分析了铺层顺序、层合板参数、鸟体参数的变化对层合板吸收能量的影响.分析结果对航空复合材料层合构件抗鸟撞研究具有一定的参考价值.      

复合材料层合板低速冲击后的弯曲试验研究

对冲击后的5224/CF3052平面织物复合材料层合板进行了四点弯曲试验.分析了层合板在不同冲击能量下的损伤阻抗,包括:凹坑深度、损伤宽度和损伤面积;探讨了层合板在冲击和冲击后弯曲试验过程中的损伤过程、特征和机理;研究了凹坑深度对冲击后层合板弯曲性能的影响规律.结果表明:冲击试验时的冲击能量和损伤宽度,损伤面积无必然联系;层合板的弯曲性能主要受材料的拉伸性能控制;弯曲破坏时,层合板侧面的分层主要集中在受拉面一侧;当对受弯矩作用的复合材料结构进行强度设计时,有必要考虑冲击损伤导致的弯曲剩余强度降低;和冲击后压缩试验结果类似,凹坑深度与冲击后弯曲剩余强度,弯曲剩余模量的关系曲线存在拐点现象.     

层合板单钉接头多级疲劳试验

为探讨层合板单钉接头在实际工作中多级疲劳破坏规律,首先通过特征尺寸为层合板端距与螺栓孔孔径之比为3、层合板宽度与螺栓孔孔径之比为3的层合板单钉接头准静态拉伸试验及常幅拉-拉疲劳试验,分析了层合板单钉接头实际损伤失效形式及单级疲劳破坏规律,为其多级疲劳试验各级应力水平的选取提供基础依据.然后对层合板单钉接头在载荷由高到低及由低到高2种加载方式2级载荷作用下的疲劳性能进行了试验研究,并使用经典线性累积损伤理论Miner法则分析计算了接头疲劳损伤值.结果表明:当应力水平由低向高施加时,疲劳损伤值大于1,而应力水平由高向低施加时,疲劳损伤值小于1.      

一种交织铺层结构层合板性能

结合复合材料自动纤维铺放(AFP)技术,提出了一种交织铺层结构层合板成型方法,制备了非交织、交织正交层合板、非交织、两向交织和四向交织准各向同性层合板复合材料,并对交织铺层结构复合材料的层间结构和性能进行了分析研究。结果表明:交织正交层合板的拉伸、压缩、弯曲性能较非交织板性能均有所下降,但其层间剪切性能有明显提高,提高幅度约为16%;随着交织铺层组厚度的增加,交织层合板的拉伸性能呈下降趋势;交织层合板的开孔后拉伸、开孔后压缩和冲击后压缩强度保持率均高于非交织板,且冲击后分层损伤面积明显低于非交织板。交织铺层结构层合板相对于普通非交织层合板具有更好的损伤容限能力。