GLARE加筋壁板弹头冲击数值仿真分析

采用ESI公司的PAM-CRASH软件进行GLARE材料加筋壁板的弹头冲击损伤数值仿真分析.运用CDM模型,最大应变准则,JOHNSON-COOK本构模型建立了合理的纤维金属层板分析模型,利用国外试验数据对模型进行验证,在结果可靠的前提下分析了GLARE材料加筋壁板不同位置抗冲击性能的差异,计算结果表明,蒙皮背面的损伤要大于正面,且越靠近筋条的位置,结构件的抗冲击性能越好.     

纤维金属层板的静力学性能测试与预测模型

为研究纤维金属层板(FML)的非线性变形行为和损伤机制,对GLARE2-2/1、GLARE2-3/2、GLARE3-2/1、GLARE3-3/2、GLARE6-2/1和GLARE6-3/2层板进行了静力拉伸测试,同时采用数字图像相关(DIC)技术观测了GLARE2-3/2、GLARE3-3/2和GLARE6-3/2试样的全场应变,基于修正的经典层板理论建立了考虑金属层塑性和预浸料层损伤的理论本构模型,模拟预测了GLARE层板的轴向弹性模量、断裂强度和应力-应变曲线,与测试结果进行了对比分析。对经历载荷作用的试样,采用腐蚀去层的方法研究了内部预浸料层的损伤。结果显示:铺层增加后受损伤预浸料层的性能退化更多,采用DIC技术能够有效检测静力拉伸载荷下GLARE试样内预浸料层的损伤,理论模型方法能够很好地模拟GLARE试样的静力拉伸试验过程。     

纤维金属层板的开发和应用现状

随着我国航空航天领域器械的飞速发展,对该领域中结构件所用材料的综合性能及轻量化提出了新的要求。在过去几十年里,大型客机的市场需求不断扩大,刺激了新型材料的兴起,使材料向着高性能,轻质量发展。纤维金属层板是由铝合金与纤维预浸料交替铺层固化而成的层间混杂复合材料。纤维金属层板结合了金属与复合材料的优良特性,具有密度小、损伤容限优良、抗冲击和疲劳性能,越来越受到航天航空和轨道交通领域的关注。目前用于商业生产的金属纤维层压板(FMLs)多以基于芳纶纤维(ARALL)与基于高强玻璃纤维(GLARE)的层板为主。概括了纤维金属层板的制备前表面处理工艺,对其弯曲测试、拉伸测试、冲击测试和疲劳测试等力学性能的测试方法进行综述,同时对未来新型纤维金属层板的开发进行探究,为纤维金属层板的开发提供参考信息。     

玻璃纤维增强铝合金层板高速冲击损伤容限

为研究玻璃纤维增强铝合金（GLARE）层板高速冲击损伤容限,对单次、多次冲击载荷下GLARE层板的损伤特性进行了高速冲击试验和数值仿真研究。采用一级气体炮,在GLARE层板靶板的中心位置、边位置、角位置进行弹道冲击试验,获取弹道极限和损伤模式,然后结合数值仿真剖析动态响应特性。结果表明,弹道冲击条件下,GLARE层板主要通过塑性变形、金属层裂纹、脱胶、复合材料纤维脆断等损伤模式吸收冲击能量。边界约束效应对GLARE层板冲击损伤特性具有显著影响,主要表现在：约束效应导致不同位置冲击下GLARE层板损伤模式不同,包括成坑、金属裂纹和冲塞等特征;角位置冲击条件下,GLARE层板的弹道极限速度明显低于中心位置冲击结果;重复冲击条件下,角位置比与边位置和中心位置更容易发生穿透。     

修理问题中层压板特性的工程估算方法

研究了层压板修理中对无损、开孔以及具冲击损伤情况下力学性能的简便工程计算方法。根据自行设计的试验及其相关文献的试验结果,采用Heslehurst关于层压板弹性常数及强度的估算方法时数据进行了分析,同时把其对开孔板得到剩余强度的估算方法推广到合冲击损伤在内的损伤结构剩余强度。多种材料体系和铺层方式组成的层压板的试验和计算对比表明,该工程算法给出的精度大都在20%以内。因此可以用该算法来确定结构的修理容限的下限。     

复合材料层压板开孔拉伸力学性能探究

针对碳纤维复合材料层压板力学性能进行理论计算分析,并结合对某型号飞机上的复合材料层压板进行开孔拉伸试验。在层压板试验件上粘贴应变片,记录载荷应变—应力曲线,分析层压板的破坏过程,且通过比较不同的铺层,分析铺层角对层压板力学性能的影响,结合试验后试件照片,分析开孔拉伸试件的破坏模式和失效行为。最后,通过有限元分析软件对层压板进行仿真分析,仿真结果与试验吻合度很高。     

纤维金属层板疲劳裂纹扩展速率与寿命预测的唯象模型

以纤维金属层板疲劳裂纹稳定扩展的特性为基础,提出了纤维金属层板等效裂纹长度（l0）的概念,导出了纤维金属层板疲劳过程中的有效应力强度因子方程,建立了纤维金属层板等幅疲劳下疲劳裂纹扩展速率与寿命预测的唯象模型。它不仅适用于中心裂纹,同时也适用于边缘裂纹。用唯象模型对2/1GLARE和3/2GLARE层板的CCT试样和SENT试样进行了寿命预测,并与试验结果进行了对比。当裂纹从锯切裂纹尖端扩展到试样宽度的80%时,对于GLARE层板的CCT试样,2/1GLARE层板的预测寿命与实测寿命之比为1.05,3/2GLARE层板的预测寿命与实测寿命之比为1.07.对于GLARE层板的SENT试样,预测寿命与实测寿命之比为1.12.唯象模型不仅预测结果可靠,精度高,而且都是解析运算,非常方便。唯象模型的提出使得纤维金属层板的疲劳裂纹扩展速率和寿命的预测变得跟金属材料一样方便,因此具有重要的工程应用价值。     

四种飞机蒙皮材料抗鸟撞性能对比研究

以伊尔76飞机尾翼前缘结构为对象,对铝合金、GLARE层板、金属面板蜂窝夹芯结构以及复合材料面板蜂窝夹芯结构等四种不同蒙皮材料的抗鸟撞性能进行了对比研究;运用大型非线性动力学软件PAM-crash建立结构有限元模型,通过数值仿真进行计算,并通过试验对分析方法的正确性进行了验证,从结构破坏和吸能特性两个方面进行分析,发现相同条件下,GLARE层板蒙皮重量最小,抗鸟撞能力最强,吸能效率最高,性能最优。     

GLARE层板低速冲击的实验与模拟

研究玻璃纤维增强铝合金层合板(glass fiber reinforced aluminum laminates,GLARE)在落锤低速冲击下的材料行为,建立ABAQUS有限元模型进行模拟并对其进行实验验证。针对纤维金属基体材料的特点,采用连续损伤模型(continuous damage model,CDM)分别给予落锤6.22 J、12.38 J和14.46 J的冲击能量,在ABAQUS中对模型设置相应的边界条件和载荷,得出落锤下落方向的速率-时间曲线和能量损耗曲线图。考虑金属层与复材层间黏结层的作用,采用凝聚层(cohesive)将金属层和复合材料层粘接。在仿真中观察层间的纤维和基体拉伸和压缩损伤状态及破坏情况,并与实验得出结果进行对比。结果显示:有限元仿真可以准确模拟落锤冲击之后GLARE板背面的裂纹和鼓包的实效情况以及基体和纤维的损伤情况,很好地预测复合材料内部的损伤情况。     

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。     

纤维增强铝合金层板的发展与应用

 本文介绍了最新研制的一种新型结构材料——纤维增强铝合金层板,该层板已引起许多西方飞机制造厂的注意。该材料兼取了复合材料和铝合金的优点,克服了各自的一些缺点。最引人注目的性能是它所具有的极好的抗疲劳和损伤性能。通过改变材料的组成和工艺过程,可以得到不同性能,满足某些特殊的用途。本文介绍两种典型的材料构型——芳纶纤维增强铝合金层板(ARALL)和R-玻璃纤维增强铝合金层板(GLARE)的研究过程、材料组成、性能和应用。最后讨论了今后研究所需要解决的问题。     

BMP316树脂基预浸料的吸胶工艺控制

对碳纤维/BMP316的吸胶工艺进行试验分析,分别从预制件出胶量、层压板缺陷和成型后力学性能等几个方面进行研究,得出了碳纤维/BMP316的吸胶工艺规范。同时发现不同的吸胶工艺影响预制件出胶量,直接影响成型后制件的内部质量;而且吸胶工艺选择不当会造成制件的孔隙率高,孔隙率在一定程度上降低了材料的力学性能。     

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。     

含表面缺口复合材料层压板的屈曲破坏

通过实验研究和理论分析探讨了含表面缺口复合材料层压板的屈曲破坏。采用电测和声发射技术对层压板的受压力学行为进行观测和分析。作为比较,对无缺口层压板也进行了压缩试验,尽管2种层压板试样随载荷增加到一定值时都会发生屈曲,但它们的破坏过程仍有着显著的差别。利用层压板刚度减少技术推导了含表面缺口复合材料层压板的临界应力表达式。理论预测结果和试验结果能够较好地吻合。     

NY9200树脂体系及其复合材料性能

将混合环氧树脂和不同的固化促进剂，分别应用于中温固化和高温固化体系。通过试验，建立了该体系的固化成形工艺，并对ＮＹ９２００／Ｔ３００复合材料层压板的基本力学性能、耐介质和耐热性能进行了测试。     

复合材料抗冲击性能和结构压缩设计许用值

 从复合材料结构压缩设计许用值的概念和复合材料的冲击后压缩强度性能出发,讨论按NASA标准得到的CAI值与它们的关系,指出传统的CAI值不能充分反映复合材料体系的抗冲击性能,且与结构压缩设计许用值无任何联系。在对复合材料结构完整性要求和作者的试验研究,和对国外文献总结的基础上,提出复合材料抗冲击性能应包括损伤阻抗和损伤容限两方面。大量的试验数据证实复合材料层压板抗冲击性能存在拐点现象,在对拐点附近复合材料层压板的破坏机理研究基础上,建议用拐点附近的性能建立复合材料层压板抗冲击性能的评定体系,即可以用表面层在冲击下保持其完整性的最大能力(最大接触力)来表征复合材料体系的损伤阻抗(韧性);用出现拐点后基本不变的压缩强度(破坏应变)门槛值来表征复合材料体系的损伤容限。     

分步固化工艺对中温材料体系天线罩性能的影响

为探讨分步固化工艺对某中温材料体系天线罩性能的影响,本文对SW-280A/环氧树脂预浸料、FM73M胶膜和Nomex纸蜂窝组成的中温材料体系层压板及蜂窝夹层结构试样多次固化后的力学性能及电性能进行了研究。结果表明:经一次、二次、三次、四次及五次固化后,力学性能及电性能变化幅度不大,无明显的下降趋势,说明多次固化未对该中温材料体系的力学性能及电性能造成影响。材料体系天线罩的制造可以采用分步固化工艺,分步固化工艺对其力学和电性能不会产生影响。     

结构设计许用值和复合材料抗冲击性能的评定

从复合材料结构设计许用值的概念和复合材料的冲击后压缩强度性能出发，讨论了按NASA标准得到的CAI值与它们的关系，指出了传统的CAI值不能充分反映复合材料体系的抗冲击性能。且与结构压缩设计许用值无任何联系。在对复合材料结构完整性要求和作者的试验研究，和对国外文献总结的基础上，提出复合材料抗冲击性能的评定应包括损伤阻抗和损伤容限两方面。大量的试验数据证实复合材料层压板抗冲击性能存在拐点现象，在对拐点附近复合材料层压板的破坏机理研究基础上，建议用拐点附近的性能建立复合材料层压板抗冲击性能的评定体系，即可以用表面层在冲击下保持其完整性的最大能力（最大接触力）来表征复合材料体系的损伤阻抗（韧性）；用出现拐点后基本不变的压缩强度（破坏应变）门槛值来表征复合材料体系的损伤容限。     

基于有限元仿真的含中心孔层压板强度预测方法

在材料承载应力不可能超过其自身强度的原则上,假设复合材料遵循弹性-塑性等效就位力学行为,提出了一种基于线弹性有限元分析的含中心孔层压板渐进失效和强度预测的仿真方法;在仿真中对单元材料属性进行随机赋值以模拟真实材料状态,采用Hashin准则对材料失效进行判定并对失效材料按照其失效模式进行弹性常数退化;通过试验测试了5种不同铺层的玻璃/环氧复合材料带孔层压板的强度,在不单独考虑分层的条件下,含孔层压板的预测强度与试验结果吻合较好,与传统有限元预测方法相比,本方法不需要人为地确定失效材料的退化因子。     

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。