带损伤复合材料层压板剩余强度估算方法研究

 针对带损伤, 特别是冲击损伤的复合材料层压板的剩余强度估算, 提供易于工程使用 的思路和方法。包括: ① 提出了一种不依赖具体分析方法的统一的损伤记录与表征方法——损 伤数据结构DDS; ②提出了一种全新的缺口强度破坏判据——损伤影响(D I) 破坏判据; ③ 提出 了简单易用的估算冲击分层的弯曲应变能密度分层模型; ④提出了一套能够分析包括预埋分层 和冲击分层在内, 并能够处理单一分层以及多分层的损伤剩余强度估算方法。对共计12 种材料 体系、52 种铺层形式的开孔拉抻强度、预埋分层压缩强度及冲击后压缩强度进行了大量估算分 析, 与近百组试验结果相比均有良好一致性。     

复合材料矩形开孔损伤螺接修理参数分析

复合材料的修理问题越来越受到关注。本文针对复合材料层压板结构的矩形开孔损伤建立了螺接修理方案,通过数值模拟的方法研究了螺栓排布、补片材料和厚度等修理参数对结构强度和刚度的影响,分析了不同修理参数的失效模式的变化情况,对复合材料螺栓修理的工程应用有一定的参考价值。     

复合材料层压板压缩剩余强度分析

为了对复合材料含孔层压板的压缩剩余强度进行快速、精确地评估,采用了有限元渐进损伤剩余强度分析方法。使用Tsai-Wu准则作为强度判据,使用Abaqus用户子程序USDFLD对破坏的单元进行刚度折减。单元的刚度折减采用材料性能退化的方法实现。对复合材料含孔层压板进行有限元渐进损伤分析,得到了含孔层压板的破坏过程、破坏载荷和剩余强度,以及不同角度铺层的主要破坏类型。通过对复合材料含孔层压板压缩剩余强度的有限元分析数据与试验数据对比研究发现,使用Abaqus用户子程序USDFLD的有限元渐进损伤剩余强度分析方法得到的分析结果与试验结果非常接近。试验数据和有限元分析数据验证了Abaqus用户子程序USDFLD和刚度折减方法的正确性以及渐进损伤剩余强度分析结果的精确性。     

层压板胶接挖补修理应用研究

随着先进复合材料在民用飞机上的大量应用,对复合材料结构件的修理技术研究显得尤为重要。胶接挖补修理是一种成熟的层压板永久性修理方法,其中胶接斜面挖补修理工艺简便,在民用飞机中应用广泛,可用于修理损伤范围小于15%零件表面积的分层、脱粘、多余孔等缺陷。工程上一般采用静强度计算方法对修理后零件的强度性能进行评估。在对复合材料层压板零件进行胶接斜面挖补修理及强度计算分析后,结果表明修理及其静强度评估方法的工程应用可行。     

含表面裂纹的复合材料层压板剩余强度的工程算法

表面裂纹可导致复合材料层压板的强度降低,针对一些对裂纹敏感的复合材料关键部件有必要计算裂纹对层压板剩余强度的影响。传统预测层压板剩余强度的方法均与层压板具体铺层方向有关,通过研究具有表面裂纹的碳纤维/环氧树脂层压板的剩余强度特性,提出了一种与铺层方向无关的预测层压板剩余强度的工程算法。首先,利用裂纹几何参数以及层压板相关力学性能参数对剩余强度进行快速估计,再基于内聚力单元建立含表面裂纹的复合材料层压板的有限元模型,通过对含表面裂纹的层压板的渐进损伤过程进行描述,研究了裂纹深度和长度对剩余强度的影响,验证了工程算法的合理性。     

冲击损伤和开孔对CYCOM 7701/7781玻纤环氧复合材料层压板典型力学性能的影响

采用CYCOM 7701/7781玻纤环氧织物预浸料和中温固化工艺制造复合材料单向层压板试件。将试件分为三组,分别在低温干态(cold temperature dry,CTD)、室温干态(room temperature dry,RTD)和高温湿态(elevated temperature wet,ETW)三种温度和试件吸湿情况下,测试复合材料单向层压板的无缺口拉伸强度、开孔拉伸强度、无缺口压缩强度、开孔压缩强度和冲击后压缩强度,研究冲击损伤和开孔对CYCOM 7701/7781复合材料单向层压板典型力学性能的影响。结果表明:在CTD、RTD和ETW三种环境下,开孔对CYCOM 7701/7781玻纤环氧复合材料层压板平均拉伸强度均有十分不利的影响,拉伸强度下降约50%;开孔明显地降低了复合材料层压板的拉伸强度的变异系数;在CTD和RTD情况下,冲击损伤和开孔对CYCOM 7701/7781玻纤环氧复合材料层压板平均压缩强度均有十分不利的影响,两种情况的影响比较接近,均下降45%~55%;在ETW环境下开孔使压缩强度下降约为50%,冲击损伤使压缩强度下降30%左右,表明开孔对压缩强度的影响比冲击损伤更为显著。     

含分层损伤的复合材料层压板轴压剩余强度分析

基于渐进损伤分析方法对含正方形分层损伤的复合材料层压板开展了剩余强度仿真分析。不同损伤尺寸大小的仿真结果表明,层压板的轴压剩余强度和失效机理与分层损伤尺度密切相关,分层损伤尺寸较小时,层压板剩余强度对损伤尺寸不敏感,降低幅度较小;损伤尺寸大于某一临界值后,层压板剩余强度较完好结构件大幅度下降,并趋于稳定;中小尺寸分层损伤层压板在屈曲后,其失效模式为结构件中部横向整体直接压溃;大尺寸分层损伤层压板出现子层屈曲诱发的界面损伤并扩展,在复合材料薄板中部压溃前达到最大剩余强度。该仿真结果对复合材料损伤容限设计、修理具有指导意义。     

含缺陷复合材料层压板的压缩破坏机理

 本文综述了含缺陷(包括孔及冲击损伤)复合材料层压板在压缩载荷作用下的破坏机理及破坏模式,特别是对层压板构成最大威胁的低能量冲击损伤机理及压缩破坏模式作了比较深入的论述,总结出了四种破坏模式,并从分层断裂力学的观点出发给出了解决含低能量冲击损伤层压板的压缩剩余强度估算的途径。     

复合材料层压板抗冲击行为及表征方法的实验研究

对14种复合材料体系约800个试样进行了冲击阻抗和含损伤层压板压缩强度试验研究,研究发现对于同一种复合材料层压板的冲击能量．凹坑深度曲线和凹坑深度．压缩破坏应变曲线均存在拐点,在出现拐点后内部的分层损伤叠加面积基本上不再增加,压缩剩余强度基本上不再降低,表面冲击部位开始出现纤维断裂。研究表明采用传统CAI来表征损伤容限性能的方法可能得到与实际结构损伤容限特性相反的结论,因此,提出了利用拐点附近特性来表征复合材料层压板的抗冲击行为（包括损伤阻抗和损伤容限）的建议,即分别采用QSI方法得到的准各向同性层压板的最大接触力Fmux和压缩破坏强度（应变）的门槛值CAIT来表征复合材料层压板的损伤阻抗和损伤容限行为。     

复合材料挖补修理结构渐进损伤分析

采用材料弹性系数的刚度退化模型分析了复合材料挖补结构的极限强度。基于Mayes模型提出了一种复合材料层合板的刚度退化方法,以带中心孔拉伸试件为对象,在完成有限元网格划分与单元选取的适应性研究后,使用复合材料层压板挖补试验件进行了渐进损伤分析方法的有效性验证。开展了挖补结构的渐进损伤分析和挖补参数对极限强度的影响研究。研究结果表明,采用层合单元的有限元模型和基于材料弹性系数的刚度退化模型,可以作为复合材料修补结构强度的基本分析模型,计算效率和分析精度能够满足工程分析需求,修补设计参数对修补结构强度的影响呈非线性。研究结果可以为复合材料层压板挖补修理设计提供参考。     

Z-pin增强复合材料开孔层合板压缩性能

针对复合材料开孔层合板孔边应力集中而导致承载能力降低现象,采用Z-pin增强技术提高性能。重点了研究开孔层合板的压缩性能,制备了不同Z-pin植入体积分数的开孔层合板试样并进行了压缩试验,在试验基础上,应用有限元分析方法对Z-pin增强开孔层合板进行建模分析,基于渐进损伤分析法和内聚单元法模拟了复合材料基体以及Z-pin的增强效果。试验结果表明:Z-pin的植入可以显著提高开孔层合板的抗压性能,且随着Z-pin植入体积分数的提高,压缩性能不断上升,压缩强度最高可以提高23.06%;只有沿载荷方向,位于开孔两侧的Z-pin可以提高结构的承载能力;在Z-pin桥联力的作用下,降低了损伤的扩展速度,但并没有改变层合板的最终失效模式。模拟结果表明:压缩损伤从孔边向两侧扩展,位于层合板中心的铺层最先出现损伤,其中第6层与第10层的增强单元最先发生破坏。模拟计算结果与试验结果得到了较好的吻合,该有限元模型对于Z-pin增强复合材料开孔层合板的适用性得到了验证。      

薄层碳纤维斜纹布层压板二次胶接试验研究

将复合材料薄板二次胶接技术应用在小型无人机机翼主承力结构上，对于降低机翼盒段的制造成本具有重要的工程应用价值。采用碳纤维斜纹布制2 mm 薄板进行单搭接结构拉剪试验，分析3 种不同型号的胶粘剂对该薄板的适配性以及胶层厚度和层压板铺层角度对二次胶接强度的影响，并通过ABAQUS 软件进行模拟验证。结果表明：使用SY-23B 环氧结构胶，胶层厚度为0.2 mm、铺层方式为［（0/90）］8 -［（0/90）］8 的结构件，胶接性能最优，结构剪切强度可以达到18.2 MPa，满足小型无人机受力盒段的胶接强度要求，二次胶接成形的机翼受力盒段具有轻质化、低成本的优点。     

复合材料层板等强最优设计方法

 本文对复合材料无矩对称层板的最优设计,提出了一种概念直观、方法简便、收敛迅速、效果较好的等强最优设计方法。给出了几个算例的结果,并与文献[1、2]的方法作了对比,结果表明,本文的方法具有显著的优越性。     

复合材料层压板冲击后压缩剩余强度的统计分析与可靠性评估

通过对T300/5405复合材料层压板的冲击后压缩强度试验数据的统计分析,指出冲击后压缩剩余强度符合Weibull分布。在此基础上,通过引入冲击威胁的概念,对T300/5405复合材料层压板进行了冲击损伤容限可靠性分析。研究表明,通过在可靠性分析中引入了冲击威胁的概念,可以较充分地发挥复合材料层压板的损伤容限性能。     

复合材料层板低速冲击剩余强度的研究

 针对复合材料层板受低速冲击后的剩余压缩强度问题进行分析计算,把冲击破坏区看作一个含有随机分布裂纹的圆形不均匀体,采用有限元建模分析,结合冲击后层板的试验所得的载荷/ 位移关系,计算得到冲击破坏区的剩余模量。再采用有限元建模分析含圆形冲击损伤区的矩形复合材料层板,求解应力及最大位移,并依据最大应力破坏准则,预测复合材料层板的冲击后压缩强度,计算结果与试验数据的比较表明分析结果可靠。     

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。     

基于CDM的复合材料缺口强度三维数值仿真模型

层合板受载时在缺口尖端出现的沿纤维方向的基体开裂会使缺口钝化,降低缺口带来的应力集中影响。为了更好地模拟这一现象,建立基于CDM的三维有限元模型,提出一种可以实现层合板中每层网格不同排列的建模方法,使网格边缘与每层纤维方向一致;为了实现每层网格不同的排列,在层间建立内聚力接触模拟分层损伤;对纤维增强复合材料层合板[0/902/0]S和[0/90/±45]S进行开孔拉伸的渐进损伤分析。结果表明:该模型可以模拟不同材料体系和铺层参数的层合板在拉伸载荷作用下的渐进损伤过程,预测其破坏强度;通过已知的试验结果对模型进行验证,证明了该方法的正确性且预测精度较高。     

孔边应力单元与层合板孔边应力精化分析方法研究

构造了一个满足孔边应力边界条件、层间应力连续条件以及层合板表面应力边界条件的孔边应力单元。并在位移型有限元计算所得位移基础上,提出了一个精确分析孔边应力的有限元方法。首先,运用莫雷阿(G.Morera)应力函数理沦,构造了柱坐标中满足平衡条件的三维应力场的一般表达式,并使之满足前述应力条件。然后,采用上述表达式并利用修正余能原理与拉格朗日乘子法,建立了由已知节点位移分析层合板孔边应力的基本方程。算例表明,所得计算结果与相应解析解或实验结果相符。     

用DPS模型预测缝合复合材料弹性常数

提出了模拟缝合复合材料单层的DPS模型，并采用材料力学方法对该模型进行了细观分析，给出了缝合复合材料面内弹性常数的预测方法。同时，利用本文得到的方法对1300／QY8911缝合复合材料弹性常数进行了预测。通过与试验结果的对比分析证明，该预测方法具有非常高的准确性。