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。     

弯扭载荷作用变刚度复合材料圆柱壳的屈曲优化

通过曲线纤维轨迹设计,变刚度复合材料圆柱壳将拥有比常刚度(直线纤维)圆柱壳更好的抗屈曲稳定性。为研究弯扭载荷作用下曲线纤维铺层形式和几何参数对变刚度复合材料圆柱壳屈曲性能的影响,建立了变刚度复合材料圆柱壳的参数化有限元模型,结合序列二次响应面方法和圆柱壳屈曲优化模型建立了复合材料圆柱壳曲线纤维轨迹优化的设计流程;以准各向同性铺层复合材料圆柱壳为比较基准,对弯扭载荷作用变刚度圆柱壳在不同铺层方式、不同几何参数下的屈曲性能进行了优化比较。数值结果表明:弯扭载荷作用下,变刚度圆柱壳的屈曲性能随弯矩载荷占比增加而提高,均好于准各向同性圆柱壳,但扭矩载荷占优时,优化常刚度圆柱壳的屈曲性能更具有优势。     

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。     

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。     

国产碳纤维增强树脂基复合材料阻尼性能实验研究

碳纤维增强复合材料的阻尼性能对结构的减振能力具有重要影响。复合材料的阻尼机理与均质的各向同性材料有很大不同。利用瞬态冲击振动梁法得到了不同树脂基体、不同纤维铺层角国产碳纤维增强复合材料的动态特性数据,并提取了模态频率与模态损耗因子,研究了树脂基体材料和纤维铺层角对复合材料动力学性能的影响规律,同时研究了材料的阻尼性能随着振动频率的变化规律。实验结果表明,603基体的复合材料比605基体及606基体的复合材料具有更高的模态损耗因子;同样的基体,增大铺层角,结构柔度增大,损耗因子也增大;随着振动频率变化,在某一频率下,模态损耗因子出现了峰值。     

纤维增强树脂基复合材料结构的优化设计

综述了国内外纤维增强树脂基复合材料结构优化设计的研究成果与发展状况,内容涉及到层合板壳结构以及夹层结构的屈曲、振动、可靠性、结构强度以及多级多目标等问题的优化设计。文中还涉及到发动机复合材料构件优化方面的一些研究成果,给出了其优化设计的网络框图。论文最后对复合材料结构优化设计当前存在的主要问题和今后发展方向作了分析,并指出今后的研究方向：（１）多级多目标多学科的优化设计,不仅涉及到基本理论、建模和方法,而且更加强调工程实际问题;（２）发展相应的软件专家系统,更加强调软件面向对象编程和 Ｃ Ａ Ｄ 技术的应用;（３）注重探究快速有效的优化算法以及探究随机优化和可靠性优化技术,从而快速有效地获得对优化设计点的可靠评价等。     

复合材料层合板结构的广义强度准则

在试验研究的基础上,将复合材料层舍板看作一个"宏观各向异性板",提出了一种基于试验的复合材料层合板结构广义强度准则的二次完备表达式,并分析了表达式中各参数的试验求解方法.对3种典型铺层的层合板进行纵向拉伸、纵向压缩、横向拉伸、横向压缩、面内剪切等简单裁荷以及双向拉伸、拉剪组合(纵向、横向)等组合栽荷试验.给出了不同铺层形式下广义强度准则表达式中各项系数值.采用该强度准则预测复杂应力状态下的破坏应力与试验值吻合较好.     

自动铺丝轨迹理论铺放角度偏差算法

铺放角是复合材料铺层设计的重要参数,在对铺层进行轨迹规划时采取不同的规划算法可能会导致轨迹角度偏离设计角度。本文从轨迹的方向性和可铺放性对固定角度法和测地线法进行了对比分析,在此基础上研究了复合材料自动铺丝轨迹的理论铺放角度偏差,提出了计算理论铺放角度偏差的几何算法,并基于Visual Studio 2010平台,应用CATIA二次开发技术实现了理论铺放角度偏差的计算。最后通过计算复合材料截锥壳45°测地线轨迹的铺放角度偏差验证了角度偏差算法的可行性、可靠性、实用性与高效性。     

基于遗传算法的复合材料圆柱壳屈曲多目标优化设计

针对复合材料圆柱壳屈曲载荷最大化和缺陷敏感度最小化问题,提出以铺层纤维方向角为设计变量的基于遗传算法的多目标优化方法,采用层合壳屈曲理论计算临界载荷和统计方法计算缺陷敏感度,对由多个个体组成的群体施加选择、交叉和变异等演化操作,通过多代进化得到问题的pareto解.算例优化结果与采用离散方法得到的目标空间解边界比较吻合,验证了方法的准确性和有效性.     

复合材料蜂窝夹层进气道结构优化设计方法

研究了一种以全局响应面算法为基础的复合材料蜂窝夹层结构进气道优化设计技术。该技术以复合材料蜂窝夹层进气道结构为研究对象,以结构重量最轻为目标,结合工程实际生产工艺和复合材料结构设计一般原则,使面板各方向角铺层厚度和蜂窝芯材厚度均选用离散变量,同时约束复合材料蜂窝夹层结构的各种失效模式以及进气道工作环境的频率需求。最后通过算例验证了此优化设计方法的可行性。     

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。     

C/E复合材料带环肋叠层圆柱壳在均匀侧外压作用下的稳定性

本文将碳纤维/树脂复合材料当作正交异性材料,采用线弹性理论,将带肋圆柱壳的环肋看作单向应力状态下的连续分布的壳层处理,用Ritz法求得正交异性多层带密环肋圆柱壳总体稳定性方程和环肋间壳壁段稳定性方程,并做了便于工程应用的简化。对几种不同形状截面环肋的刚度参数计算,给出了具体表达式,提出了环肋材料铺设的刚度设计准则。用C/E复合带环肋截锥壳均匀侧外压试验作了部分验证。截锥壳用平均半径法做相当圆柱壳处理后,其理论值与试验值符合较好。     

低速冲击复合材料层合板的机械修补参数研究

对于铺层材料为T300/双马树脂的复合材料层合板,研究了低速冲击损伤条件下机械修补的影响因素。考虑机械修补填充效应和装配干涉量、螺栓预紧力、界面摩擦力对修补强度的影响,针对低速冲击复合材料层合板的机械修补,建立了三维的有限元模型,有限元计算结果与实验结果吻合良好,从而机械修补模型是有效的。进一步有限元计算分析表明:1)金属填充装配的干涉量存在最优值;2)摩擦系数的增大可有效地提高修补结构压缩破坏强度;3)较大模量比修补结构的强度较小;4)存在最优的螺栓拧紧力矩,在此拧紧力矩下修补件的修补强度最高。     

复合材料夹层圆柱壳的轴对称失稳问题

本文首先给出复合材料夹层圆柱壳大挠度问题的一般方程,然后在轴对称变形条件下进行简化,得到轴对称变形的非线性方程。在此基础上用摄动法,给出了复合材料夹层圆柱壳轴压轴对称屈曲方程,该方程与齐次边界条件一起构成分析轴对称失稳的特征值问题。通过详细分析得到了该特征值问题的解,无量纲的轴压临界值表达成无量纲的抗弯刚度参数,夹芯抗剪刚度参数和Badtoff几何参数的简单函数。通过这些无量纲参数,轴压临界值实际上是复合材料工程弹性常数,夹心横向剪切模量,各层纤维铺设角,铺层数,夹心相对于表层的厚度和圆柱壳参考中面几何尺寸的函数。     

复合材料层板弯曲问题优化设计

研究固定纤维指向，对称铺层复合材料层板在弯曲载荷作用下，以铺层厚度为设计变量，结构重量为目标函数，分别同时承受强度约束位移约束的约束的优化设计方法。     

航空发动机陶瓷基复合材料疲劳迟滞机理与模型研究进展

对陶瓷基复合材料疲劳迟滞机理与模型的研究进展进行综述。首先,简要回顾了陶瓷基复合材料在航空发动机上的应用情况,综述了单向、铺层和编织陶瓷基复合材料细观疲劳失效模式与疲劳迟滞机理。总结出纤维增强陶瓷基复合材料基本的细观失效模式是:基体裂纹、纤维/基体界面脱粘和纤维断裂、铺层陶瓷基复合材料中的铺层/铺层界面脱粘以及编织陶瓷基复合材料中的纱线/纱线界面和纱线/基体界面脱粘。脱粘后的各类界面在循环载荷下的界面滑移是导致疲劳迟滞行为的根本原因。然后,详细分析了陶瓷基复合材料疲劳迟滞行为力学建模研究历史与现状,指出了其中存在的问题。最后,对陶瓷基复合材料疲劳迟滞行为研究的发展趋势进行了展望。     

复合材料开口加筋壁板承载性能分析

为研究复合材料开口加筋壁板承载能力和失效模式,设计实施了壁板压缩试验,并基于复合材料层合板剪切理论和金属塑性硬化理论建立了复合材料开口加筋壁板有限元模型,研究了边界条件对壁板承载能力的影响,提出在加载边施加简支及铰弹簧约束,较好地模拟了壁板压缩失效过程。通过对比发现,压缩试验与仿真计算的失效模式均为壁板中部弯曲,对于开口附近位移结果光测试验和仿真计算误差小于6.3%。采用二维Hashin准则和最大应力准则分别评估了各铺层纤维损伤趋势和桁条塑性特征,并结合承力构件损伤程度分析了开口加筋壁板的压缩破坏机制。     

复合材料壁板筋条斜削区失效分析

研究了复合材料加筋板筋条斜削区的失效过程并预测了结构的承载能力.利用非线性有限元软件ABAQUS粘接单元模拟筋条与蒙皮的脱层界面.分别使用三维体单元和连续壳单元进行数值模拟计算.采用强度与能量准则预测脱层扩展与结构的失效载荷.计算结果与实验数据比较表明,本文建立的基于粘接单元的分析模型可以很好地模拟筋条斜削区的脱层扩展过程.在此基础上,对不同斜削长度对结构承载能力的影响进行了参数分析.结果表明,增加筋条斜削区长度可以延缓脱层的起始.     

复合材料结构机械连接设计分析与试验研究

以某型机复合材料机身与主减后接头局部连接结构为研究对象,针对结构承面外载荷较大的特殊受载形式进行复合材料-金属接头机械连接技术研究。通过有限元仿真分析,确定了复合材料-金属接头的连接形式,并对复合材料机身结构连接区的局部铺层进行了优化,随后开展复合材料-金属接头连接结构的力学试验。结果表明,在给定载荷下,复合材料-金属接头机械连接结构具有足够的强度和刚度,满足设计要求。     

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.