面向纤维增强复合材料低速冲击损伤的非线性混合模型

基于连续介质损伤力学提出了一种纤维增强复合材料(Fiber reinforced polyrner/plastic,FRP)结构低速冲击损伤预测的渐进损伤模型,包含非线性剪应力应变关系和归一化的混合模式基体损伤演化,用来预测复合材料层合板低速冲击损伤。模型区分了纤维拉伸/压缩、纤维间拉伸/压缩4种层内损伤以及层间分层损伤;纤维间损伤起始由Puck失效准则预测,损伤演化由断裂面上的等效应变控制,失效判定时考虑了就位效应对强度的影响;模型中加入单元特征长度以消除计算结果对网格密度的依赖性。以[45_4/-45_8/45_4],[0_3/45/-45]_S和[45/-45/0_2/90/45/0_2/-45/45]_3三种铺层的复合材料层合板为例,预测了不同冲击能量下复合材料层合板的低速冲击损伤响应参数,试验结果证明了本文模型的有效性。     

纤维增强对称层合复合材料的宏观热膨胀系数研究

为了得到对称层合复合材料的宏观热膨胀系数,首先根据细观力学方法,推导得到了以各材料相性能数据表达的单层板的热膨胀系数.在此基础上,根据弹性力学方法,并借助于理想界面均匀化方法,得到了以单层热膨胀系数表达的层合板的宏观等效热膨胀系数表达式.这样,在已知各相材料性能数据和铺层的条件下,即可直接求得层合板的热膨胀系数.理论计算结果与实验数据进行了对比,证明了理论方法的合理性,为层合复合材料热相关问题的研究奠定了基础,有较大工程应用价值.     

复合材料的弹性常数和断裂韧度

本文推导了[O°]_s、[±30°]_s、(±45°]_s、[±60°]_s和[90°]_s五种铺层方向的复合材料层合板的工程弹性常数的公式,并用试验作了验证,同时测量了单边裂纹拉伸试样的裂纹扩展方向,应用K准则、G准则和断裂功γF确定了复合材料层合板的断裂韧度,分析了铺层角度对断裂韧度的影响。     

缝纫/RFI层合板单钉连接性能试验研究

通过对不同铺层及不同缝纫角度的缝纫／RFI层合板的单钉单剪连接强度试验,了解到缝纫针脚位置对缝纫层合板机械连接性能有显著的影响。当针脚距离钉孔受挤压边缘较近时,缝纫层合板的挤压破坏强度低于普通的层合板,只有当针脚在钉孔挤压区外或距离钉孔受挤压边缘较远时,缝纫层合板才显示出好于普通层合板的机械连接性能。试验结果还表明铺层比对缝纫层合板的机械连接性能也有影响,其规律类似于普通层合板。     

变刚度复合材料层合板研究进展

变刚度复合材料层合板由纤维曲线铺放而成,可以实现刚度分布的变化设计,与传统固定铺层角的复合材料层合板相比,变刚度复合材料层合板在减少重量和成本的同时,也提高了结构性能。随着铺放设备的发展,目前已经能够利用自动铺放技术实现纤维的曲线铺放。同时,为提高复合材料构件的结构性能和满足不同的工程实际需求,铺层设计方法也从单一角度的直线铺层逐渐向变角度曲线铺层发展。本文首先介绍了变刚度复合材料层合板设计制造方法与有限元建模,接着在刚度分布、屈曲特性、失效行为等方面阐述了变刚度复合材料层合板力学性能的研究进展,然后结合南京航空航天大学复合材料工程自动化技术研究中心在变刚度复合材料层合板振动特性方面的研究,对变刚度复合材料层合板振动特性进行了分析和概括,最后对变刚度复合材料层合板未来的研究趋势进行了论述与展望。     

复合材料层合板屈曲优化设计的模拟退火算法应用

利用复合材料可设计性的特点对层合板结构进行优化设计具有重要意义。本文给出了一种基于模拟退火算法作为全局优化方法的复合材料层合板屈曲优化设计方法。以面内受压层合板的临界屈曲载荷最大化为目标函数,以层板各铺层方向角为离散设计变量,采用整数符号方法进行编码。对标准模拟退火算法进行改进,通过引入升温过程获得合适的初始温度,并在优化过程中记忆到当前所得到的最优值,避免概率接受方法造成的最优解丢失。编写了应用程序,对算例在不同载荷条件下进行了优化设计,并研究了模拟退火算法关键控制参数对优化结果的影响。结果表明,模拟退火算法可以应用于复合材料层板铺层顺序优化问题,且通过改进算法和控制关键参数可以有效提高算法收敛性能。     

一种适合于分析复合材料层板的三维杂交应力超单元研究

本文基于三维弹性理论和Hellinger-Reissner变分原理,推导了一种适合于分析复合材料层板的三维杂交应力超单元。该单元不同于常规的三维单元,它将复合材料层板沿厚度方向划分成一个或几个单元,每个单元中所包含的层数可视精度和计算费用的要求而定。在应用应力杂交模型导出三维超单元时,本文首次提出一种场变量假设方法,即在超单元内独立假设位移场,而应力场则分层独立假设,因而单元能较好地模拟层合板的力学性能。考虑横向剪切变形和局部扭曲变形的影响,保证了单元分析的精度。同时由于单元的自由度数不随层数的增加而增加,避免了常规三维单元在分析复合材料层板时自由度数随层数的增加而增加的弊端。通过对几个典型的复合材料层板的静、动力分析及与试验的比较。表明了单元能有效地用于各种层板的分析。     

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。     

多向层合板层间分层断裂韧性研究(英文)

在传统的柔度法和面积法的基础上 ,采用角度法对多向层合板层间分层断裂韧性进行了测试。该方法通过测量载荷与试验加载点处两子梁的夹角 ,不需要测量裂纹长度。同时对传统的柔度法进行了改进 ,改进后的柔度法可以用来测量两子梁刚度不等的 DCB试样。采用柔度法和角度法同时测试了碳纤维增强两种不同基体层合板 0 /θ(θ=0 ,30 ,6 0和 90°)层间分层断裂韧性 ,得出了分层断裂韧性随 θ的变化规律。这两种层合板分别为碳纤维增强脆性基体的 T30 0 / 4 2 1 1和碳纤维增强韧性基体的T30 0 / 32 6 1。结果发现 ,多向层合板层间分层断裂韧性与基体性能和分层界面处的铺层角有关     

复合材料加筋板结构的二级协同优化设计方法

针对复合材料加筋板结构的布局和铺层优化问题,发展了一种二级优化设计技术。第一级采用基于近似模型技术的布局优化方法,以筋条形式、个数、截面形状和铺层厚度作为设计变量,以结构质量最轻为目标函数,实现加筋板结构布局形式和截面尺寸的布局优化;第二级借助于等效弯曲刚度法和遗传算法,考虑层合板的制造和工艺约束,以层合板的各铺层角作为设计变量,以层合板弯曲刚度系数与上一级优化所给最优弯曲刚度系数之间的误差最小为目标,实现了复合材料加筋板在固定铺层层数下的铺层顺序优化;在二级优化的基础上,通过协调稳定性约束,实现综合优化。算例表明:采用二级优化设计方法,可以很好地实现复合材料加筋板的布局优化设计。     

复合材料加筋壁板灵敏度分析及优化设计

本文基于面内刚度系数和弯曲刚度系数建立了模拟复合材料层合板的等效刚度法,该方法充分考虑了层合板的面内刚度和弯曲刚度特性,与原始层合板具有相同的面内刚度和弯曲刚度。采用等效刚度法建立复合材料L型加筋壁板的有限元模型,基于二级优化策略对加筋壁板进行了以最小重量为目标的优化设计,其中一级优化是以铺层厚度和弯曲刚度系数为设计变量的重量最小化设计,二级优化则是调整铺层顺序,以满足最优化的弯曲刚度系数。在L型加筋壁板的优化设计中,首先通过实验设计对目标和约束进行了灵敏度分析,然后在此基础上对L型加筋壁板进行了以强度、刚度、稳定性等为约束条件的轻量化设计。     

复合材料等刚度多钉螺接载荷分配的实验研究

本文详细描述了复合材料等刚度多钉螺接载荷分配的测试过程。着重探讨载荷传递的测试方法以及连接的迭层顺序对载荷分配的影响。4钉螺接试件系纤维增强碳/环氧复合材料制成,各螺栓串联排列并沿钉孔的中心连线方向施加拉伸载荷。本文通过对螺栓位移量的测量,得以确定连接中各钉承载的百分比,发现多钉连接的载荷分配对迭层板中±45°铺层含量相当敏感,±45°纤维含量的增加将加剧多钉螺接载荷分配的不均。受载最严重螺栓的承载百分比亦随迭层板中±45°纤维含量的增加而呈上升趋势。     

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.     

熔融沉积法制备纤维素纳米纤维增强聚乳酸基复合材料的拉伸性能（英文）

生物可降解聚合物可以在保持结构力学性能的同时可以实现碳中性,是石油基聚合物的潜在替代品。在这些聚合物中,聚乳酸(Polylactic acid,PLA)因其良好的力学性能、生物相容性和热塑性而特别有发展前景。本文利用机械脱脂纤维素纳米纤维(Cellulose nanofiber,CNF)来提高聚乳酸的力学性能,该纤维具有显著的力学性能和生物降解性。熔融沉积建模(Fused deposition modeling,FDM)是热塑性聚合物的三维打印方法之一,可以降低制造成本。本研究采用FDM法制备了机械脱脂CNF增强PLA基复合材料,并在两个打印方向(0°/90°和+45°/-45°)上研究了它们的拉伸性能,梳理了机械制备CNF增强PLA基复合材料的印刷方向与拉伸行为之间的关系。此外,利用扫描电镜研究了机械脱脂CNF增强PLA基复合材料的显微组织和断口。     

平面机织复合材料低温力学性能数值分析与试验验证

建立了单向玻璃纤维增强复合材料及酚醛树脂基平面机织复合材料层合板周期性单胞三维(3-D)有限元模型,在两个模型的有限元分析中引入周期性边界条件,保证了周期性单胞边界面的应力和应变的连续性。通过有限元模拟获得单向纤维增强材料的各项力学参数。模拟了常温及低温情况下基体模量改变这两种情况下层合板拉伸、压缩和剪切的渐进损伤过程。引入合适的损伤起始和损伤扩展准则,预测了层合板在两载荷下的破坏过程。在常温和-50℃两种情况下,对平面机织复合材料进行了拉伸、压缩、剪切试验。将有限元模拟结果与层合板在常温和低温下的试验结果进行了对比,进一步讨论了影响酚醛树脂基复合材料层合板低温力学性能的因素,得出了材料在低温情况下力学性能优于常温情况,同时也用试验验证了分析方法的正确性。     

LY12CZ铝合金的多轴非比例疲劳行为

针对非比例加载路径对金属材料的疲劳行为及疲劳寿命的影响进行了研究.对LY12CZ铝合金薄壁圆管试样进行了单轴、纯扭和90°非比例路径下的疲劳实验.结果表明单轴拉压与纯扭加载下的滞后环形状基本一致,应力与应变同时达到最大值及最小值.而90°非比例路径下,应力与应变的最大值并不同时到达,存在一定程度的滞后.材料在90°非比例路径下存在附加强化,但不明显.在相同幅值的加载应变下,90°非比例路径的Von Mises 等效应变的最大值比比例路径下的小,但是最大等效应变作用的时间却远远高于比例加载情况.在相同等效应变幅下,纯扭路径的疲劳寿命最高,单轴次之,90°非比例路径的疲劳寿命最低.     

单层板夹杂粘弹性阻尼材料的应变能分析-Part Ⅰ：基础理论和面内应变能

本文利用层合板的本构关系及Kirchhoff经典板理论,分析正交各向异性单层板夹杂粘弹性阻尼材料的应力应变同中面横向挠度的关系,夹杂的粘弹性阻尼材料作为各向同性材料处理.横向切应力根据平衡方程推导得出,并满足应力边界条件和连续条件.既考虑了面内应变能又考虑了横向切应力应变能.用Ritz法研究各应力分量的应变能.本文介绍基础理论及推导面内应变能.     

AD200玻璃纤维蜂窝夹芯结构强度的建模与分析

提出了AD200 双座轻型飞机玻璃纤维纸质蜂窝夹芯结构有限元分析的建模假设,利用试验测得的玻璃纤维(0/90°),(±45°)材料基本性能数据,按复合材料层合板理论得到了实际结构不同组合铺层的材料弹性常数。用通用有限元程序对AD200 飞机实际结构进行了强度分析,并与静力试验结果进行比较,两者吻合很好。结果表明,模型简化合理,材料试验数据可靠     

钉头型式对复合材料层合板机械连接强度的影响

通过3种不同铺层比例的复合材料层合板机械连接接头的挤压强度测试,研究了钉头型式对复合材料层合板机械连接挤压力学性能的影响,获得了沉头螺栓挤压强度修正系数。试验数据表明：采用沉头螺栓的复合材料机械接头 的挤压强度,可达到采用凸头螺栓的复合材料机械连接挤压强度的90%左右,但接头刚度仅为采用凸头螺栓的复合材料接头刚度的40%~50%。研究采用Hashin失效准则和Tan-Camanho损伤扩展方法,对两种钉头型式的复合材料层合板机械连接接头的挤压失效过程进行了有限元分 析,预测了复合材料层合板机械连接接头的偏移挤压强度和极限挤压强度,模型预测值与试验值的误差不超过15%。     

高速列车车顶–升力翼组合体气动特性

高速列车升力翼通过气动增升实现车体等效减重,为高速列车节能降耗提供了新思路。升力翼气动性能直接影响等效减重效果,研究车顶–升力翼组合体在不同工况下的气动特性对列车升力翼设计具有重要意义。采用计算流体力学方法和k–ε模型进行数值仿真研究,分析了车–翼连接杆对升力翼气动特性的影响,研究了升力翼飞高、来流速度、迎角等设计参数对升力翼气动特性的影响规律。研究结果表明：采用NACA0012翼型剖面的车–翼连接杆对升力翼升力和阻力的影响不超过3.7%;在车顶模型前缘引起的高速气流影响下,随着升力翼飞高增大,冲击升力翼的气流速度减小,升力有减小的趋势,在3倍弦长飞高范围内,不同飞高升力翼的升力差值最大不超过3%;当来流速度增大至90 m/s以上时,升力翼的升力系数和阻力系数分别稳定在1.62和0.61附近;在0°～22°迎角范围内,升力翼升力系数不断增大,迎角大于22°后,升力翼升力系数减小。