复合材料层合板低速冲击损伤的预测模型

在低速冲击载荷作用下,建立了一种适用于铺层总数较多的复合材料层合板的损伤预测模型。采用三维Puck失效准则预测层内纤维与基体的破坏,并获得基体失效时的断裂面角度。根据低速冲击下复合材料层合板的层间分层损伤机理,同时考虑面内横向正应力、厚度方向正应力、层间剪应力和相邻铺层的损伤状态等因素对界面分层的影响,发展了一种新的冲击分层失效准则。为快速有效地预测铺层总数较多的复合材料层合板的冲击损伤,通过对单元积分点处的应变进行线性插值,提出了在单个实体单元内预测多个铺层损伤的数值计算方法。模型成功预测了受冲击层合板具体的失效模式,预测的分层形状和尺寸与试验值吻合较好,并显著减少了有限元模型的规模,表明本文所发展的数值方法对预测复合材料层合板低速冲击损伤的有效性。     

复合材料低速冲击损伤面积神经网络估算方法

损伤面积是复合材料层合板在受低速冲击后其损伤严重程度主要表征参数之一。本文基于3层拓扑结构的BP人工神经网络,以冲击能量和凹坑深度作为输入参数,建立了损伤面积的快速估算模型。利用试验样本数据对BP神经网络模型训练后,选取样本数据进行仿真验证。对比分析说明该损伤面积估算模型具有良好的试验数据内在联系发掘能力,估算准确性与效率较高。本文研究为复合材料层合板低速冲击损伤面积估算提供了一种新的有效方法。     

复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤扩展特性

进行了碳纤维增强复合材料蜂窝夹芯板低速冲击试验及冲击后面内单向压缩试验,并采用解析解方法对含低速冲击损伤的复合材料蜂窝夹芯板在面内单向压载作用下的损伤扩展过程进行了预测与分析,分析结果与试验结果吻合较好.研究进一步扩展了解析解模型,使之能够预测和分析在面内双向拉压载荷作用下含低速冲击损伤的复合材料蜂窝夹芯结构的损伤扩展特性.分析结果表明,施加面内横向拉伸载荷会延迟复合材料蜂窝夹芯结构在面内纵向压载作用下低速冲击损伤扩展过程,从而提升结构在纵向的残余压缩强度.     

低速冲击下复合材料层合板损伤试验与模拟

对复合材料层合板进行四种不同能量的低速冲击试验,测量了不同冲击能量下的凹坑深度,并利用超声C扫描获得了层合板分层形状和面积。依照试验条件,建立复合材料层合板低速冲击三维有限元模型,模型中分别采用hashin失效准则和界面单元模拟层内失效和层间损伤,结合试验与模拟结果,讨论了复合材料层合板在低速冲击下的损伤特征,以及冲击过程中层合板内部损伤的发生及演化规律。     

穿孔泡沫夹层复合材料低速冲击性能试验研究

针对普通泡沫夹层复合材料层间性能较弱的问题,提出在泡沫上预先打孔的方法,在泡沫芯材中形成胶钉从而提高泡沫夹层材料的力学性能,并对穿孔泡沫夹层复合材料的低速冲击性能进行了研究。通过手糊和真空辅助成形工艺制备穿孔泡沫夹层复合材料试验件,对其进行不同能量的低速冲击试验,记录接触力、冲头位移和能量吸收率等力学响应,并采用目视检测和超声C扫无损检测两种方法确定冲击损伤的范围,探究胶钉密度、打孔深度和泡沫槽宽等变量对穿孔泡沫夹层复合材料低速冲击阻抗性能的影响。试验结果表明,随着冲击能量的增加,最大接触力、最大冲头位移和残余变形均增加,凹坑深度和内部损伤面积也增大,同时结构的能量吸收率也有所提高;适当地增加胶钉密度和泡沫槽宽能提高穿孔泡沫夹层材料的低速冲击阻抗性能,而泡沫孔深度对其冲击性能的影响较小。     

复合材料加筋板高速冲击的损伤研究

针对航天器保护材料遭受碎石冲击的问题,提出采用对复合板进行加筋处理的方式提高复合材料层合板抗弹体高速冲击能力的方法。该方法利用ABAQUS建立有限元模型,对加筋板底层层合板内部引用cohesive模拟出层间分层,将弹体设置为离散型刚体。模拟弹体对加筋板的垂直高速冲击。通过分析弹体冲出板体的剩余速度研究复合材料加筋板的防弹效果。结果发现当弹体冲击点位于加筋条上时能很好地降低弹体的冲击速度。并发现较小的筋条间距、较大的筋条厚度可以有效增加复合材料加筋板的抗冲击能力,而筋条间隔不同对复合材料加筋板的抗冲击能力的影响可以忽略不计,本文为后续航天器抗弹体高速冲击能力研究提供了支撑。     

纤维增强复合材料层合结构的非线性热稳定性分析

考虑到纤维增强复合材料的弹性常数和热应变随温度变化的非线性关系，推导出复合材料层合结构在热载荷作用下大挠度的有限元列式和几何非线性屈曲分析的理论表达式，利用局部线性化，得到了既考虑几何非线性又考虑热非线性的屈曲方程，本文提出了一种实现双重非线性问题的计算方法，使该问题的工程计算成为可能。     

复合材料层合板冲击后剩余强度的工程估算方法和有限元模拟分析

为研究复合材料层合板冲击后剩余强度(CAI)的计算,本文给出了两种方法:工程估算和有限元预测.工程估算是将受冲击损伤的复合材料层合板简化为正交各向异性带孔板,按照Nuismer-Whitney平均应力准则,计算正交各向异性带圆孔板的破坏强度.作为层合板冲击后剩余强度的估算值.有限元方法则是采用Hashin失效准则和Tan的刚度降准则,在ABAQUS软件中自编UMAT材料损伤子程序,进行带孔层合板的损伤强度预估分析.结果表明,工程估算方法和有限元方法的计算结果均与试验结果相差不大,两种方法均可作为工程中估算剩余强度的有效方法.     

层合复合材料薄板高速冲击损伤研究

针对任意角度铺层的复合材料层合薄板基于高速冲击过程中的能量守恒,建立了复合材料层板高速冲击问题的力学分析模型.该模型考虑了纤维断裂、基体裂纹和分层3种主要损伤形式.根据高应变率下单层板的本构关系,采用波的传播理论,计算复合材料层板冲击后的变形区尺寸和层板应变场,利用能量守恒迭代求解弹体的冲击剩余速度和弹靶接触力等参量.文中着重研究了复合材料层合薄板高速冲击中的损伤面积和形状,详细讨论了冲击速度,弹体直径以及靶板铺层情况对损伤形状和大小的影响.数值分析结果与试验吻合,证明了本文模型的有效性.     

FRP层合板抗冲击能力与损伤面积的经验估计法

纤维增强树脂基复合材料（Fiber reinforced polymer, FRP）层合板的冲击损伤面积是衡量损伤严重程度的主要表征参数。本文依据冲击损伤演化特征将冲击损伤演化过程划分为4个阶段。基于弹簧-质量模型对FRP层合板产生初始分层的损伤门槛值进行计算,而后以一组对照试验确定层合板损伤面积随冲击能量的变化速率,最终建立了冲击损伤面积的经验估算模型。选取3种不同材料的冲击试验数据进行了统计验证,对比分析结果表明预测模型具有良好的预测精度,且计算简单。     

复合材料拉伸剩余强度及其分布

复合材料剩余强度是强度退化疲劳寿命预测模型的基础,本文研究了连续纤维树脂基复合材料（ＦＲＰ）的剩余强度随疲劳载荷加载次数退化的规律,按照ＦＲＰ疲劳损伤的产生和发展的规律,提出了一个ＦＲＰ剩余强度退化的模型,并得到了大量的实验结果的支持。在此基础上提出了一个复合材料剩余强度退化的统计模型：在寿命的初始,剩余强度即为静强度,服从Ｗｅｉｂｕｌ分布;在寿命结束时,即为疲劳强度,服从Ｗｅｉｂｕｌ分布;在不同时刻剩余强度也服从Ｗｅｉｂｕｌ分布,且其方差随加载次数线性变化     

含低能量冲击损伤碳纤维层合板剩余压缩强度分析

T700/DS1202碳纤维层合板是一种目前在国内无人机领域广泛使用的复合材料.在对T700/DS1202碳纤维层合板冲击损伤及压缩后的损伤扩展情况试验检测的基础上,分析了含低能量冲击损伤层合板在压缩载荷下的破坏机理,并采用有限元法进行了模拟.结果表明,15J是冲击损伤的门槛值,当冲击能量大于等于该值时,层合板剩余压缩强度降至90％以下;压缩时冲击损伤处分层,并从心部扩展至边缘,造成层合板最终失效.     

基于全场等效损伤测试的累积损伤模型

材料LY12CZ在固定的一组循环数下，对其中每一预定循环数进行不同应力水平的疲劳试验，并测出材料的韧性变化率，以此为损伤变量得到该组循环数下损伤量与交变应力水平关系的曲线族，该曲线族可以转换成相同损伤量下交变应力与循环数关系的等效损伤线族，通过对材料LY12CZ等效损伤线族测试和分析，给出损伤线族方程表达式，由此得到的损伤累积模型可以计算复杂加载下材料的剩余寿命，多级加载实验结果与测试值较好符合。     

复合材料层合板宽度尺寸效应的混合模型

研究了影响复合材料层合板强度尺寸效应的两个主要影响因素:统计尺寸效应和自由边效应。统计尺寸效应采用经典的Weibull最弱环理论描述。提出了"废宽度"的概念,将自由边效应和最终失效强度联系起来。综合这两种效应,得到了影响纤维增强复合材料(Fiber reinforced plastic,FRP)宽度尺寸效应的混合模型。引用D Kujawski的试验数据对混合模型进行了验证,结果表明:混合模型能够准确地预测不同宽度试件的最终失效强度。     

疲劳损伤及寿命预测的塑性功模型

在Coffin－Manson公式的基础上提出了低周疲劳损伤及寿命预测的塑性功模型,即选择滞回能的一半Wai、拉伸断裂塑性功Wf及一个材料常数β来定义发生明显循环硬化及循环软化材料的疲劳损伤参量Di＝（Wai／Wf）β。并从内、外两方面因素分别讨论了外界作用程度（Wai）及材料的固有属性(Wf及β)在低周疲劳损伤中的作用。     

Damage Initiation and Propagation in Composites Subjected to Low-Velocity Impact:Experimental Results,3D Dynamic Damage Model,and FEM Simulations

A three-dimensional dynamic damage model that fits both small and large damage sizes is developed to predict impact damage initiation and propagation for each lamina of T300-carbon/epoxy laminations. First,13 specimens of the same lamination sequence are subjected to three different impact energies(10 J,15 J,and 20 J).After the impact,the laminates are inspected by the naked eye to observe the damage in the outer layers,and subsequently X-rayed to detect the inner damage. Next,the stress analysis of laminates subjected to impact loading is presented,based on the Hertz contact law and virtual displacement principle. Based on the analysis results,a threedimensional dynamic damage model is proposed,including the Hou failure criteria and Camanho stiffness degradation model,to predict the impact damage shape and area. The numerical predictions of the damage shape and area show a relatively reasonable agreement with the experiments. Finally,the impact damage initiation and propagation for each lamina are investigated using this damage model,and the results improve the understanding of the impact process.     

人体头部受撞击脑损伤界限的研究

脑损伤的研究，是生物力学研究的重要问题之一，其研究涉及到医学、力学的很多方面。本文将承受撞击的颅脑看成一个整体，同时又考虑其结构和力学性质。采用粘弹性的Kelvin体进行计算分析，比较分析三种不同的判据对实际人脑的损伤的判断的影响。