高温下开孔复合材料层合板压缩试验及有限元分析

在高温环境下对开孔复合材料层合板进行压缩性能试验及其损伤的有限元分析,将得到的压缩强度进行比较,两者相差3.1%,在误差允许的范围内。同时由有限元损伤分析,得到了各铺层角的具体失效损伤图。结果表明,复合材料层合板开孔压缩有限元损伤分析,能够很好地得到复合材料层合板在压缩过程中的损伤扩展和最终破坏,并最终预测复合材料层合板压缩失效模式和压缩强度。     

Z-pin增强复合材料开孔层合板压缩性能

针对复合材料开孔层合板孔边应力集中而导致承载能力降低现象,采用Z-pin增强技术提高性能。重点了研究开孔层合板的压缩性能,制备了不同Z-pin植入体积分数的开孔层合板试样并进行了压缩试验,在试验基础上,应用有限元分析方法对Z-pin增强开孔层合板进行建模分析,基于渐进损伤分析法和内聚单元法模拟了复合材料基体以及Z-pin的增强效果。试验结果表明:Z-pin的植入可以显著提高开孔层合板的抗压性能,且随着Z-pin植入体积分数的提高,压缩性能不断上升,压缩强度最高可以提高23.06%;只有沿载荷方向,位于开孔两侧的Z-pin可以提高结构的承载能力;在Z-pin桥联力的作用下,降低了损伤的扩展速度,但并没有改变层合板的最终失效模式。模拟结果表明:压缩损伤从孔边向两侧扩展,位于层合板中心的铺层最先出现损伤,其中第6层与第10层的增强单元最先发生破坏。模拟计算结果与试验结果得到了较好的吻合,该有限元模型对于Z-pin增强复合材料开孔层合板的适用性得到了验证。      

一种交织铺层结构层合板性能

结合复合材料自动纤维铺放(AFP)技术,提出了一种交织铺层结构层合板成型方法,制备了非交织、交织正交层合板、非交织、两向交织和四向交织准各向同性层合板复合材料,并对交织铺层结构复合材料的层间结构和性能进行了分析研究。结果表明:交织正交层合板的拉伸、压缩、弯曲性能较非交织板性能均有所下降,但其层间剪切性能有明显提高,提高幅度约为16%;随着交织铺层组厚度的增加,交织层合板的拉伸性能呈下降趋势;交织层合板的开孔后拉伸、开孔后压缩和冲击后压缩强度保持率均高于非交织板,且冲击后分层损伤面积明显低于非交织板。交织铺层结构层合板相对于普通非交织层合板具有更好的损伤容限能力。     

大展弦比复合材料机翼结构设计研究

针对大展弦比机翼结构的特点,选定蜂窝夹层、多墙式和一种新型混合式结构进行分析比较。进行了缝纫层合板和无缝纫层合板的冲击后压缩强度试验以及3种形式的复合材料蜂窝夹层板冲击后压缩稳定性试验。实验结果表明,缝纫可提高复合材料层合板冲击后压缩强度和屈曲临界载荷。对3种形式机翼结构进行有限元分析,计算结果表明,新型混合式结构具有明显的减重效果,并可实现一定比例的弯曲和扭转刚度设计。     

冲击损伤和开孔对CYCOM 7701/7781玻纤环氧复合材料层压板典型力学性能的影响

采用CYCOM 7701/7781玻纤环氧织物预浸料和中温固化工艺制造复合材料单向层压板试件。将试件分为三组,分别在低温干态(cold temperature dry,CTD)、室温干态(room temperature dry,RTD)和高温湿态(elevated temperature wet,ETW)三种温度和试件吸湿情况下,测试复合材料单向层压板的无缺口拉伸强度、开孔拉伸强度、无缺口压缩强度、开孔压缩强度和冲击后压缩强度,研究冲击损伤和开孔对CYCOM 7701/7781复合材料单向层压板典型力学性能的影响。结果表明:在CTD、RTD和ETW三种环境下,开孔对CYCOM 7701/7781玻纤环氧复合材料层压板平均拉伸强度均有十分不利的影响,拉伸强度下降约50%;开孔明显地降低了复合材料层压板的拉伸强度的变异系数;在CTD和RTD情况下,冲击损伤和开孔对CYCOM 7701/7781玻纤环氧复合材料层压板平均压缩强度均有十分不利的影响,两种情况的影响比较接近,均下降45%~55%;在ETW环境下开孔使压缩强度下降约为50%,冲击损伤使压缩强度下降30%左右,表明开孔对压缩强度的影响比冲击损伤更为显著。     

复合材料层合板低速冲击损伤研究

复合材料具有比强度高、比刚度高等优良特性,因此被广泛应用于航空航天结构中。但是复合材料结构抗冲击性能差,当结构在制造和使用过程中受到外来冲击后,会造成多种形式的损伤,降低其承载能力。本文采用数值计算和试验相结合的方法,研究铺层顺序对复合材料层合板冲击后剩余压缩强度的影响。计算结果表明,当层合板较薄时,调整铺层顺序对层合板冲击性能的影响很小;随着层合板厚度逐渐增加,调整铺层顺序后,层合板冲击接触力和剩余压缩强度值变化越大;在层合板总厚度和各方向单层比例一定的情况下,将0°层靠近内侧铺设能得到较高的剩余压缩强度值。     

湿热环境下复合材料孔板压缩性能的研究

采用压缩试验的方法,对含孔机织碳纤维环氧复合材料层板进行了湿热环境下的压缩试验,研究了湿热环境对其压缩性能的影响。分析了复合材料孔板的吸湿特性、压缩强度、破坏模式及动态力学性能。结果表明:机织碳纤维环氧复合材料吸湿率较低,其饱和吸湿率仅为0.88%左右。湿热环境会降低由基体性能主导的压缩强度,130℃下湿态试样的开孔压缩强度保持率约为70%。含孔复合材料层合板的破坏模式均为过孔破坏,破坏均发生在应力集中的区域,并且断裂都是沿着应力集中最大的方向扩展。侧面断口主要为剪切失效,有分层和屈曲的特征。吸湿后复合材料的DMA Tg为125℃,比干态时下降了16℃。     

含中心圆孔复合材料层合板失效分析及强度预测研究

对复合材料结构进行开孔将会导致结构强度显著下降。以含中心圆孔的复合材料层合板为研究对象,根据ASTM D 5766标准对三种不同铺层比例的含中心圆孔复合材料层合板进行拉伸试验,研究不同铺层比例对复合材料开孔拉伸试验件的拉伸性能和失效模式的影响。基于连续介质损伤力学,分别采用最大应变失效准则和基于物理失效机制的三维非线性Puck失效准则预测纤维和基体损伤的起始,通过应变表征损伤演化,建立含中心圆孔复合材料层合板的三维有限元模型;并进行数值分析,通过与试验结果对比,表明该模型能有效预测含中心圆孔复合材料层合板的拉伸强度和损伤扩展过程。     

含分层缺陷复合材料层合板压缩强度试验研究

复合材料层合结构在生产和使用过程中经常会出现分层损伤,为研究分层损伤对复合材料层合结构压缩强度的影响,对含预制分层缺陷的复合材料层合板进行了静强度压缩试验研究,主要研究了沿层合板厚度方向2种不同位置的分层缺陷对复合材料层合板压缩强度的影响.试验结果表明:2类试验件断裂位置均主要集中在预制分层缺陷的边缘,断裂部位呈现不同程度的分层扩展;2类试验件的压缩强度较无初始缺陷的试验件分别降低9.04％和8.60％,说明分层缺陷的位置对复合材料层合板压缩强度的影响程度略有不同,分层缺陷位于层合板厚度方向中间位置时对压缩强度影响较大.     

SACMA和QMW试验方法对复合材料层合反低速冲击后压缩行为的影响

采用了SACMA标准和一种小试样试验方法对复合材料层合板低速冲击后的压缩（CAI）行为进行试验研究，从层合板的冲击损伤分布、冲击后压缩破坏过程，以及层合板的准静态横向压缩、开孔后压缩等多方面进行对比，结果表明，这两种试验方法存在很大差别，试验方法不同，层合板低速冲击后的压缩行为也不同；采用SACMA标准所测得的低速冲击后压缩强度更能全面反映基体韧性的优劣。作为CAI试验标准，小度样试验方法还有待改进。     

双面贴补层合板压缩屈曲渐进损伤分析

贴补复合材料层合板在压缩载荷作用下的屈曲破坏强度及其损伤演化过程对于复合材料结构修理具有重要意义。本文基于应变和黏聚区模型(CZM)建立了贴补复合材料层合板的渐进损伤分析模型,引入复合材料与胶层的损伤判据和刚度退化方案,计算了结构屈曲强度。数值仿真结果和实验数据吻合较好,验证了模型的有效性。基于该模型,采用非线性有限元方法研究了压缩载荷下双面贴补复合材料层合板的屈曲损伤演化过程,并讨论了补片参数对结构屈曲强度的影响。研究结果表明:双面贴补复合材料层合板屈曲后,处于拉伸和压缩状态下的铺层中的损伤程度存在差异;增大补片直径与厚度可以在一定程度上提高双面贴补复合材料层合板的屈曲强度。     

含分层损伤复合材料层合板压缩剩余强度计算

本文针对含分层损伤复合材料层合板,基于三维复合材料累积损伤分析方法,应用了非线性有限元技术,考虑了子层屈曲对层合板剩余强度的影响,提出了一种含初始分层损伤的复合材料层合板压缩剩余强度计算方法。在ANSYS软件平台上利用APDL语言编写相应的计算程序,对五块含不同初始分层损伤的复合材料层合板进行了压缩剩余强度计算和结果分析,计算结果与试验结果相比较,吻合良好。     

SACMA和QMW试验方法对复合材料层合板低速冲击后压缩行为的影响

采用了 SACMA标准和一种小试样试验方法对复合材料层合板低速冲击后的压缩 (CAI)行为进行试验研究 ,从层合板的冲击损伤分布、冲击后压缩破坏过程 ,以及层合板的准静态横向压缩、开孔后压缩等多方面进行对比 ,结果表明 ,这两种试验方法存在很大差别 ,试验方法不同 ,层合板低速冲击后的压缩行为也不同 ;采用 SACMA标准所测得的低速冲击后压缩强度更能全面反映基体韧性的优劣。作为 CAI试验标准 ,小试样试验方法还有待改进     

含孔平面编织混杂铺层层合板压缩性能

对含孔平面编织混杂铺层复合材料层合板的压缩性能进行试验研究,考察铺层比例和铺层顺序对其压缩破坏和压缩强度的影响, 然后利用点应力判据和平均应力判据进行层合板剩余压缩强度的估算.结果表明0°铺层比例的增加,提高了层合板的剩余压缩强度;(±45) 编织铺层比例在20%～25%之间有助于提高层合板的剩余压缩强度;点应力判据和平均应力判据适用于这种混杂铺层层合板的剩余压缩强度的估算.     

含初始分层复合材料层合板压缩剩余强度计算

针对含预制分层损伤的树脂基复合材料层合板,利用 3 维逐渐损伤分析方法,建立含预制分层损伤层合板的有限元模型,提出了 1 种含预制分层损伤的层合板压缩剩余强度的计算方法。采用有限元方法对层合板的应力进行分析,采用 3 维 Hashin失效判定准则判定单元的损伤类型,并提出相应的损伤退化方式和材料的最终失效准则,在 ANSYS 软件开发平台上利用 APDL 语言编写相应的计算程序,对 2 种含不同预制分层损伤的层合板计算其压缩剩余强度,结果表明:计算结果与试验结果吻合较好。     

复合材料薄板冲击后压缩性能研究

原有的冲击后压缩试验夹具无法防止薄板的整体失稳,为了获得正确的破坏模式,通过有限元分析设计了新的试验夹具。试验证明了新夹具的有效性,没有改变试件原有的应力状态,可以获得与标准试验相同的破坏模式。对比了不同铺层比和不同材料复合材料薄板的冲击后压缩性能。试验结果表明铺层比对冲击后压缩强度的影响很大,不同铺层比层合板的冲击后压缩破坏应变基本一致,织物铺叠层合板的CAI性能略与单向带铺叠的层合板差别不明显。     

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。     

国产碳纤维复合材料开孔拉伸失效分析与预测

基于国产碳纤维复合材料含孔层合板失效模式和损伤机理研究,结合试验分析建立了符合其失效机理的有限元模型,并在有限元模型中研究了不同失效准则对剩余强度计算结果的影响,通过比较试验数据与数值模拟结果表明:二维模型能比较准确地预测国产碳纤维复合材料含孔层合板的剩余强度,破坏载荷的数值模拟与试验数据的相对误差为7.9%,而拉伸模量的相对误差为5.6%.      

胶接修复对碳纤维复合材料层合板挠度的影响

为了研究胶接修复对碳纤维复合材料层合板弯曲挠度的影响，试验设置了阶梯搭接和斜面搭接两种搭接方式，通过三点弯曲实验和数字图像相关技术（DIC）来研究胶接接头的弯曲变形情况。结果表明，在相同搭接长度下，阶梯搭接试件的失效载荷和弯曲强度均低于斜面搭接试件；试件的弯曲挠度与强度和搭接长度有关，搭接长度越长，弯曲强度越高，而弯曲挠度越小。由此表明，搭接长度越长，胶接层合板的强度越高，但不利于层合板的柔性变形。     

T300/BMP316层合板冲击后压缩强度试验

对两种不同铺层参数的T300/BMP316复合材料层合板进行了冲击后的剩余压缩强度试验研究.结果表明,虽然随着冲击能量的增加,层合板的剩余压缩强度逐渐降低,但二者之间不满足线性关系;不同铺层参数对层合板冲击损伤投影图形的长轴方向有一定的影响,但对冲击损伤投影面积大小几乎没有影响;层合板的剩余压缩强度与冲击损伤投影面积的大小没有直接关系.