分层缺陷对复合材料壳体裙连接区轴向承载性能影响分析

为掌握固体发动机复合材料壳体裙连接区在复合材料界面分层缺陷状态下的承载性能,基于损伤失效分析方法研究了裙连接区不同界面、不同位置存在不同大小的复合材料分层/脱粘缺陷时的承载能力,分析了缺陷对裙连接区结构局部屈曲、裂纹扩展及损伤失效的影响规律。结果表明,复合材料层间界面存在临界缺陷尺寸,当缺陷小于临界尺寸时,结构承载能力基本不变,当缺陷大于该临界尺寸时,连接区的失效形式和极限载荷均受到较大影响;对于复合材料轴向补强层与环向缠绕层之间的初始分层缺陷而言,当缺陷位置处于裙连接区过渡层轴向位置之后时,裙连接区的承载方式无明显变化,仍受整体屈曲的控制;但缺陷位置与裙连接区过渡层轴向位置相同时,则易发生局部屈曲,对连接区承载能力影响较大。     

复合材料层合板热-力作用下的失效研究

碳纤维复合材料力学性能优异,在航空航天等领域广泛使用,其在热-力联合作用下的损伤失效研究对于结构的损伤破坏和强度预测具有重要意义。发展了热力耦合条件下复合材料结构渐进损伤分析方法,建立了三维有限元热烧蚀模型,并验证了计算模型的可靠性;采用三维Hashin失效准则,结合材料刚度突然退化模式,建立了失效分析模型,仿真分析了热-力联合作用下复合材料层合板损伤演化全过程。结果表明,该方法不仅能够较好地模拟复合材料层合板从局部失效的萌生、扩展直至结构完全失效的全过程,而且可以直观地显示结构的损伤失效模式,预测结构在不同条件下的承载能力。     

基于FEA的复合材料结构极限承载失效预测

针对复合材料层合板失效分析,基于经典层合板理论与一阶剪切变形理论,通过层合板等效刚度以及各单层板的应力-应变建立了一种并行多尺度方法,并基于此方法采用FORTRAN语言编写了子程序,通过与试验结果以及有限元分析(Finite Element Analysis, FEA)软件内嵌的复合材料失效模型进行对比,证实了并行多尺度方法的可行性,实现了对复合材料层合板在多种工况情况下的渐进损伤分析。     

复合材料径向和轴向螺栓连接失效预测方法及失效模式分析

大型火箭舱段间的复合材料端框连接主要由径向螺栓连接和轴向螺栓连接组成,设计了不同铺层和几何尺寸的连接试验件,并通过试验获得了失效载荷和失效形式。然后,选择了3种渐进损伤方法进行了连接结构的失效预测,并将预测结果与试验结果进行比较,结果表明：采用基于细观力学的复合材料渐进损伤方法,15组径向连接试验件失效载荷计算误差最大为17.3%;4组轴向连接失效载荷计算误差最大7.4%;预测的失效形式与试验结果接近,为连接结构确定了合适的失效预测方法。采用数值分析结果揭示了复合材料单向层的主要失效模式。为复合材料端框连接的设计研究提供了可用的失效预测方法及详细的失效模式分析结果。     

变刚度CFRP层合板在低速冲击下的分层失效分析

通过窄带曲线铺放技术制备获得变刚度复合材料层合板结构件,不仅可大大增加结构件设计优化的自由度,还可以改善其机械特性。开发了基于三维Hashin失效准则的VUMAT用户子程序,分析变刚度复合材料层合板在低速冲击工况下的渐进损伤行为。以CFRP常刚度层合板和七组不同变刚度铺层百分比的层合板为研究对象,研究变刚度碳纤维复合材料层合板在低速冲击载荷下的力学响应特性,以分层损伤面积和能量吸收为指征进行对比分析。变刚度铺层百分比为50%的层合板单层损伤面积相比常刚度层合板减少了2.57%,且层合板底层没有出现分层损伤的完全失效情况。研究结果表明,合理的变刚度铺层可以提升层合板的抗弯刚度,并使层合板在低速冲击载荷下吸收能量更少,提高了抗分层损伤性能。     

斜胶接CFRP的冲击损伤容限研究

首先,提出了复合材料胶接修补结构与胶接装配结构的冲击损伤容限问题,指出该类结构冲击后拉伸承载能力需要关注。然后,选用基于中心差分法的显式有限元和基于D-B模型的内聚力单元法,以二次名义应力准则为胶层损伤起始准则,并采用混合型幂准则形式的能量释放率准则作为胶层破坏准则。对无损斜胶接CFRP的拉伸基准进行了确定,指出破坏位置、破坏形式和破坏载荷。另外,选取5个典型位置进行损伤容限敏感性的位置研究。在敏感性最高的位置,用不同能量级别的冲击进行胶层损伤分析,并将冲击损伤引入拉伸模型,进行冲击后剩余承载能力规律研究。     

复合材料层合板的可靠性分析方法

基于复合材料层合板的一阶横向剪切变形理论,提出了同时考虑层合板面内和分层破坏的可靠性分析方法。该方法考虑了层间应力对层合板分层的影响,结合Tsai-Hill理论和层合板分层判据,给出了安全余量的表达形式,并考虑了各失效模式之间的相关性。在失效分析过程中,采用蔡氏所提出的刚度退化规律进行刚阵的减缩;利用随机有限元方法对安全余量进行敏度分析,结合改进的一次二阶矩法求解可靠性指标;用改进的分枝限界法寻找主要失效路径;用PNET法计算系统失效概率。计算表明,当考虑分层失效时结构系统失效概率有所增加,这是符合工程实际情况的。因此,设计过程中考虑分层失效是必要的。     

破片速度对碳纤维层合板冲击损伤的影响

为提升战斗部破片对航空复合材料结构的毁伤效果,采用空气炮冲击、数值仿真、战斗部静爆试验等手段,研究了层合板冲击损伤类型和分层面积随破片速度的变化规律,并分析了损伤机理。研究表明:层合板冲击损伤类型、机理和程度,与破片速度和层合板冲击临界速度(即冲击物穿透层合板的最小速度)的相对大小有关。在本文试验速度范围内,当破片速度小于层合板冲击临界速度时,造成背面裂缝型损伤,分层面积随破片速度增大而增大;当破片速度略大于层合板冲击临界速度时,造成背面炸裂型损伤,分层损伤范围最大;而更高的破片速度则造成切孔型损伤,分层损伤面积随破片速度的增大而减小,并趋近于切孔面积。为提高对复合材料结构的毁伤效果,应使破片着靶速度略大于层合板的冲击临界速度。     

航天器冲击防护用热塑性仿生复合材料的弯曲性能研究

模仿自然界中甲壳类动物外骨骼内的螺旋铺层微结构,采用3D打印制备得到螺旋铺层仿生复合材料,分析其在三点弯曲载荷下的力学性能并与工程中常见的准各向同性复合材料进行对比。实验结果显示:仿生复合材料的弯曲性能及失效形式明显区别于传统铺层方案,在弯曲载荷下不易产生分层,结构可在受损伤条件下较长阶段内保持一定的承载能力。结合裂纹扩展过程中对裂纹形貌的显微观察,进一步揭示了该仿生复合材料强韧性的机理。研究结果可为该种仿生复合材料的工程应用提供参考。     

基于多尺度的固体火箭发动机复合材料壳体及其缠绕纤维强度精确预示

针对纤维缠绕成型过程中存在纤维交叉起伏结构,导致纵向缠绕层纤维发挥强度不理想问题。构建了考虑复合材料多尺度结构特征的宏-细-微观跨尺度模型,开展了基于纤维细观尺度的渐进损伤实效行为研究,实现了结构失效状态及强度折减系数在不同尺度间的传递,最终预示了纤维缠绕壳体损伤失效。制备了直径300 mm的纤维缠绕壳体并开展水压打爆测试,测试结果表明,该跨尺度方法预测爆压值与实验测试值误差为1.4%,且所得整体应力分布较传统层合建模方法和实验值更为吻合。该分析方法可以为纤维缠绕复合材料壳体精细化设计分析提供参考价值,提升了纤维缠绕复合材料壳体工艺-设计一体化技术应用水平。