缝合单层板弹性常数的计算与分析

建立了缝合单层板弹性常数分析模型,通过考虑缝线穿过纤维时产生的弯曲并假设近似正(余)弦曲线,计算T700/QY8911缝合单层板的有效弹性常数,并将其与未缝合模型比较,总结了各缝合参数(行距、针距、缝线半径)对有效弹性常数的影响,为分析缝合层合板弹性常数提供了依据。     

缝合复合材料弹性性能的三维有限元细观分析与试验验证

建立了缝合复合材料代表单元体的三维有限元模型,模型中考虑了缝线的实际形状,以及缝线与层合板之间的位置关系,并把层合板的每层视为有一定厚度的体,全面考虑缝合层板在3个方向上的性能。模型所取的单元体为全厚度方向,相对实际细观结构简化较少,分析结果与试验数据的比较表明,分析模型所得的结果可信,可以用于工程设计,为缝合复合材料的分析和减少试验件提供了理论分析方法。     

基金档案

<正>【项目编号】2005ZG52054【项目负责人】胡自力【依托单位】南京航空航天大学智能缝合复合材料层合板的力学性能表征与测试完成情况简介:提出了缝合纤维增强复合材料层板纤维面内局部弯曲几何模型,建立了缝合层板刚度分析方法,将有限元法与周期性边界条件相结合,获得了与试验相吻合的预报结果,详细探讨了缝合参数对缝合单向板和层合板刚度的影响规     

含金属预埋件碳纤维层合板在单向拉伸载荷作用下的强度分析

基于工程中金属预埋件在复合材料层合板中的应用情况,建立了含圆柱形金属预埋件和含阶梯形金属预埋件碳纤维/环氧树脂层合板的三维分析模型.层合板中的单层板简化为三维正交各向异性材料.采用有限元方法对单向拉伸载荷下含金属预埋件层合板进行了应力分析,给出了单层板各主方向应力分布和金属预埋件的VON MISES应力分布.基于复合材料单层板的最大应力强度准则给出了两种分析模型的极限载荷.分析结果表明,两种预埋件层合板模型的首次破坏均发生在90°铺层,破坏模式均为树脂基体拉伸断裂.圆柱形预埋件层合板的损伤位于中心孔边约12点钟位置,阶梯形预埋件层合板的损伤位于铺层与金属预埋件台阶面边缘约6点钟位置.由于不连续纤维含量较大,阶梯形预埋件的极限载荷比圆柱形预埋件小18.03％.     

应用桥联理论与有限元模型的航空复合材料结构失效分析

桥联理论是一个近年来发展迅速的细观力学理论,它仅需纤维和基体材料的力学性能即可预报复合材料的响应。考虑基体应力集中系数与界面脱粘的影响后,大幅提高了复合材料破坏与强度的预报精确度。本文通过商业有限元（FE）软件ABAQUS的二次开发功能,将桥联模型的最新发展编写入UGENS子程序,并对复合材料单层板、层合板以及航空航天工业常见的T型接头复杂结构进行了有限元强度分析,并与实验结果进行对比,结果吻合良好。     

基于桥联模型预测层合板分层萌生载荷

层合板本质上由基体树脂将单层板粘在一起,其分层萌生必然从基体树脂破坏开始。基于此,通过分析基体树脂的破坏来预测层合板的分层萌生载荷,通过有限元计算出轴向拉伸载荷下层合板的应力场,沿厚度方向平均来消除自由边缘处层间应力的奇异性,之后根据桥联模型计算纤维和基体树脂应力,并用Mohr判据来判断基体树脂是否破坏。预测了T800/914层合板[±θn]s的分层萌生载荷,与实验结果吻合良好;本工作的最大优点是只需组分材料的性能即可预测层合板的分层萌生载荷。     

缝合复合材料弹性常数细观力学模型的分析比较

对近几年来公开发表的缝合复合材料弹性常数的细观力学模型进行了分析比较。通过计算对比了铺层纤维面内弯折、正弦波状弯曲、多项式描述纤维弯曲三个典型的缝合复合材料弹性常数的细观力学分析模型。结果表明,采用面内纤维弯折假设的弹性常数分析模型对缝纫参数的改变不敏感;采用面内纤维弯曲假设的模型对缝纫参数改变敏感,不同模型得到的弹性常数随缝纫参数变化趋势几乎是相同的。但是,假设纤维在针脚附近只有部分纤维发生弯曲比假设纤维全部发生弯曲得到的结论更合理。     

基于等效模型复合材料有效载荷承力结构优化设计

基于等效模型迭代优化对复合材料有效载荷承力结构——井字梁结构进行复合材料优化设计,此方法是基于单层板来模拟层合板的力学性能的想法。本文建立了反映井字梁结构的高精度有限元模型及其等效模型。并以结构质量为目标函数,刚度为约束条件,利用工程有限元分析软件Patran/Nastran对等效模型厚度进行优化设计,寻找出最优结构尺...     

用DPS模型预测缝合复合材料弹性常数

提出了模拟缝合复合材料单层的DPS模型，并采用材料力学方法对该模型进行了细观分析，给出了缝合复合材料面内弹性常数的预测方法。同时，利用本文得到的方法对1300／QY8911缝合复合材料弹性常数进行了预测。通过与试验结果的对比分析证明，该预测方法具有非常高的准确性。     

碳纳米管/玻纤/环氧层板超声真空灌注工艺及性能研究

针对碳纳米管/玻璃纤维/环氧树脂体系,采用传统的真空灌注工艺和超声波辅助真空灌注工艺制备复合材料层板,分析不同工艺方法下层板缺陷状况,测试层板的弯曲性能和层间剪切性能,考察树脂性能和纤维/树脂界面黏结状况,探讨碳管及工艺方法对层合板性能的影响。结果表明:与传统的真空罐注工艺相比,超声波辅助真空罐注工艺能增强树脂在纤维内部的流动,提高树脂对纤维的浸润,减少层合板的孔隙缺陷;添加0.05%(质量分数)的CNT后层合板的力学性能提高,使用超声波辅助真空罐注工艺制造的层板性能提高得更为明显;制造工艺对层合板性能的影响与纤维织物的结构紧密相关。     

缝合密度对复合材料性能影响研究

建立了不同缝合密度的碳纤维缎纹增强复合材料有限元模型,对其面内弹性模量进行有限元预报,并进行了实验验证。实验结果表明:随着缝合密度增加,复合材料的面内弹性模量降低,最大降低幅度约为44%,而对泊松比的影响很小。实验结果与有限元预报的规律一致。     

复合材料层合板低速冲击响应的有限元分析

针对低速冲击作用下的复合材料层合板,采用冲击接触定律、失效准则和材料性能退化技术,建立了冲击的三维有限元模型。利用所建的模型对层合板的冲击过程进行分析,并将有限元分析结果和试验结果进行了比较,验证了本文所建模型的正确性,同时分析了层合板在不同冲击速度时的响应。     

基于自由尾迹方法的复合材料无铰式旋翼气弹稳定性分析

基于有限元理论及自由尾迹方法,建立了一套适用于各向异性复合材料无铰式旋翼的气弹稳定性分析方法.为了模拟复合材料旋翼气弹特性,截面特性参数采用二维线性有限元方法分析得到,展向一维梁则采用考虑剪切变形的23自由度非线性梁单元模拟,并将自由尾迹分析模型用于计算旋翼非均匀诱导速度场,基于升力线模型构建了一个高效且较为精细的气动分析模块.在此基础上开展了无铰式旋翼气弹稳定性分析,算例计算及验证表明建立的模型能有效地用于复合材料旋翼非定常气动载荷预估及进行气弹稳定性分析.最后细致分析并获得了复合材料铺层角对无铰式旋翼气弹稳定性参数的影响规律,结果表明:算例在小拉力系数(0.0025)下,截面竖直铺层角在10°到25°会发生气弹稳定性问题,这在真实型号设计中应当注意避免.      

复合材料层合板振动数值仿真

从理论上讨论了一端固支弹性矩形薄板自由振动频率的求解问题。在MSC．Patran中建立复合材料层合板的有限元分析模型,用MSC．Nastran计算得到自由振动的固有频率和基本振型,结果与试验数据对比,吻合很好,说明采取的数值仿真方法可用于工程设计计算。     

Experimental,analytical and numerical investigation on tensile behavior of twisted fiber yarns

Stitched composite materials are emerging as a promising material due to their high interlaminar strength, combined performance and light weight. The mechanical properties of stitch yarns are very essential for stitched composite structures. In this study, the tensile behaviors of the twisted fiber yarn in stitched composites were investigated experimentally, analytically and numerically. Two kinds of cross-sectional area of twisted yarn are proposed and discussed. The paper presents an intersecting circle model to describe the cross-section of twisted fiber yarns, and a physics-based theoretical model to predict the effective tensile moduli. The numerical models take into account the cross-sectional characteristic and the twist architecture. The investigation shows that: the sum of each fiber area should be used for experimental analysis; and the cross-sectional area surrounded by the yarn profile should be used for theoretical predictions and finite element (FE) simulations. The relative errors of the prediction method and the FE simulation are less than 2% and 1%, respectively. The friction between the fibers is derived, and the effect of friction on mechanical properties is discussed. The investigation method will serve as a fundamental component of twisted fiber bundle/yarn analysis.     

基于MDNastran的多工况复合材料T尾优化研究

T尾是典型的民用飞机或运输机气动布局形式之一,寻求满足刚度、强度、稳定性约束条件下的结构轻重量是结构方案设计阶段的主要工作任务。利用复合材料弹性优化剪裁技术,运用Nastran软件系统,在细致建立有限元数值分析模型基础上,将梁和杆面积、板壳厚度以及复合材料铺层厚度作为优化变量,进行了结构优化,结果表明：结构各部件重量有所降低。为了考察给定的典型复合材料铺层角布置的合理性,引入复合材料的单元材料方向作为优化变量进行再次优化。优化结果表明：虽然增加材料方向作为优化变量能够使结构重量较初次优化有所降低,但是考虑到制造工艺要求,典型复合材料铺层布置也是合理的。     

定向结晶及相应单晶材料弹性常数间的关系

使用解析法和有限元数值方法,对定向结晶镍基高温合金以及相应镍基单晶材料工程弹性常数值进行了研究。结果表明二者之间存在相当紧密的联系,其中的3项常数在理想状态下可以认为是对应相等的,并且,在已知其数值的情况下,可以通过解析法和有限元法计算出定向结晶材料的其余常数。根据计算结果,总结出2类材料弹性常数值的规律,提出了相应的建议。     

复合材料变截面压杆变形性能研究

为了对复合材料变截面压杆的变形性能进行理论预测,本文以航天器空间桁架结构中的复合材料变截面压杆作为研究对象,首先,基于经典层合板理论,将复合材料变截面杆的壁板等效为主方向与杆轴线方向一致的正交异性板,此时复合材料变截面杆可近似为正交异性杆;其次,基于弹性变形理论和小变形假设,推导了反映杆轴向变形能力的等效轴压刚度理论公式;最后,利用有限元对等效轴压刚度理论的准确性进行了验证。结果表明,不同中间半径和变截面段长度条件下,理论值和有限元值之间的偏差基本保持在3%以内;不同铺层角条件下,理论值和有限元值之间的偏差基本保持在2%以内。因此,本文的理论能够较准确地预测复合材料变截面压杆的变形。