复合材料层板低速冲击损伤有限元模拟

利用三维动态有限元模拟计算复合材料层板的低速冲击损伤的过程,采用了基体开裂判据和分层扩展判据,分类考虑不同的损伤形式,通过修正损伤铺层材料的常数来模拟层板损伤所造成的局部刚度下降对冲击过程的影响,讨论了接触定律在冲击损伤问题中的适用性,并结合实验结果给出适于严重冲击损伤层板的卸载定理,模拟计算结果得到的低速冲击后各界面的分层损伤面积与实验结果吻合较好。     

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.      

平面编织混杂铺层层板穿透挖补修理参数分析

基于ABAQUS软件平台建立穿透挖补修理后混杂铺层层板有限元模型,对修理后层板的拉伸强度和破坏模式进行预测.为验证模型的有效性,对无损伤板和修理后层板进行了试验研究,模型计算结果和试验吻合良好.使用计算模型对修理后结构进行参数研究,比较不同挖补斜度、胶层韧性、胶层厚度、损伤尺寸及附加修理层等设计参数对修理后结构拉伸强度的影响,得到的结果可以为含穿透损伤混杂铺层层板修理设计提供理论指导.     

非对称非均衡层板弯扭耦合效应研究

在对称层板的基础上添加铺层使得整个层板成为非对称或非均衡层板,用数值计算方法对添加铺层后的层板在拉或弯载荷下由于弯扭耦合效应产生的端面变形进行了研究,得到了最有利的添加层铺层位置和添加层铺设角,并用蜂窝夹芯板模拟机翼翼盒进行了实验验证.实验表明,从数值计算所得到的结果与实验结果相比具有良好的一致性.      

复合材料层板低速倾斜冲击损伤分析

纤维增强复合材料层板对低速冲击事件敏感,冲击产生的损伤会导致材料结构承载性能及使用寿命大幅下降。基于此,提出了一种基于连续介质损伤力学的有限元模型,研究了复合材料层板低速倾斜冲击力学行为。采用Hashin准则结合渐进退化模型预测层内损伤起始和演化;采用界面单元结合双线性Traction-Separation本构关系模拟层间分层;编写用户材料VUMAT子程序,实现基于ABAQUS/Explicit软件平台的数值求解。数值计算结果与现有正冲击下实验数据吻合较好,验证了模型的有效性。探讨了冲击角度、冲击能量对复合材料层板倾斜冲击力学性能的影响,分析倾斜冲击下层板损伤模式及失效机理,为复合材料结构倾斜冲击问题数值分析提供参考。      

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。      

复合材料板变形最优控制的数值分析

采用将压电片粘贴于复合材料层板表面或镶嵌于层板内部的方法,基于kirchoff假设,对于任意铺层的复合层板,使用板单元,建立了受压电片控制的复合材料层合板有限元分析方法.然后,采用作用电压到控制形状的控制矩阵,使用最优化方法得到了对任意形状所需的作用电压,最后给出算例.文中对实验数据和有限元结果进行了比较,给出了无约束优化、有约束优化和考虑能耗的优化等3种情形的结果.      

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.     

考虑层间应力的复合材料层板优化设计

本文提出的复合材料层板结构的优化设计方法,不仅考虑了面内问题的宏观特性,而且考虑了层间应力分布的不均匀性。用面内弹性模量和层间应力分别作为设计空间的约束函数和目标函数。用非线性程序SUMT法确定最佳铺层方向。给出了一些典型的层板优化设计结果。     

复合材料层板在弹性支持下的非线性稳定性

利用能量变分原理和非线性几何方程，建立具有弹性约束的复合材料层板，在面内载荷作用下的非线性稳定性控制方程组，通过运用广义傅里叶级数法对控制方程组进行求解，得到相应的截荷－中心挠度曲线。计算结果表明：非对称层合板在面内载荷作用下，一般产生的是向变形，但在一定的铺层顺序，边界条件、受载方式等情况下，也可能发生分叉型屈曲。     

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.     

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.      

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.     

水对复合材料层合板分层扩展的影响

本文研究了水对复合材料层合板在单向拉伸和疲劳循环载荷作用下的分层扩展速率的影响。研究结果表明,在单向拉伸载荷作用下,水对分层扩展速率影响不大,而在疲劳循环载荷作用下,层合板发生分层后,水渗入层间及横向裂纹中,使层间裂纹和横向裂纹扩展速率大大加快,层合板的疲劳强度和疲劳寿命显著下降。因此当复合材料层合板结构在水介质中工作时,必须考虑到裂纹对水的敏感性。本文还探讨了超载对疲劳裂纹扩展速率的效应。实验结果证明,与金属材料的机理完全不同,超载对复合材料的裂纹扩展不但无延迟效应,反而存在加速现象。     

二维织物增强层合板高速冲击后拉伸性能模拟

针对目前国内直升机结构上常用的两种二维织物增强复合材料层合板进行了高速冲击后的拉伸性能分析.根据层合板高速冲击的损伤,在大型商用有限元软件的基础上利用逐渐损伤累积方法建立了损伤后层合板的拉伸损伤扩展与破坏的有限元分析模型,并将其计算结果与经验公式进行了对比.结果表明,该模型结果与经验公式结果吻合,且能直观给出各铺层的损伤扩展过程和机理,对于分析受高速冲击后二维织物增强复合材料层合板的损伤容限性能有重要参考价值.      

复合材料层压板低速冲击行为及剩余拉伸强度

通过实验研究了复合材料层压板的低速冲击行为和剩余拉伸强度。首先,通过冲击实验研究了冲头类型和铺层形式对层压板冲击响应的影响,并通过凹坑深度、损伤投影面积、冲击力和冲击能量转化等对冲击损伤特性进行评估。其次,通过准静态拉伸实验调查了层压板的冲击后拉伸响应和剩余拉伸强度。最后,分析了冲头类型和铺层形式对层压板冲击行为和剩余拉伸强度的影响机理。结果表明:冲头类型对层压板冲击损伤的影响与冲击接触面投影面积和凹坑深度的函数关系密切相关;在较高的冲击能量下,条刃形冲头是造成损伤的关键冲击威胁,而立方角形冲头造成的损伤相对不严重;铺层形式对层压板的冲击损伤阻抗性能和拉伸断裂形貌有明显的影响。      

材料非线性对复合材料层板损伤的影响

根据Hahn-Tsai非线性应力应变关系,用有限元方法对受拉伸载荷作用的含孔复合材料层板损伤演变进行了模拟计算,由非线性有限元方法得到的应力、应变以及最终载荷与以往线性分析方法得到的结果比较表明:考虑材料非线性可以提高计算精度;参数研究表明非线性系数的变化对正交各向异性板的影响较大,而对准各向同性板的影响较少.     

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。