基于导波监测的复合材料加筋结构冲击后剩余强度预测

对应用超声导波在线监测信息评估复合材料加筋结构冲击后剩余强度进行了研究。首先针对所监测的对象设计布置了压电传感网络并构建结构健康监测系统,通过局部信号差分系数计算出不同传感路径上的损伤指标,融合损伤概率成像方法识别损伤位置,测算形状因子以近似表征损伤尺寸。然后构建加筋结构有限元模型,由在线监测结果反馈损伤信息,采用软化夹杂法等效冲击损伤,依据复合材料损伤渐进失效分析理论,预测冲击后加筋结构的剩余极限强度。通过低速冲击、超声导波监测和压缩强度等一系列实验验证了所提出方法的有效性,为结构健康监测最高层次的应用提供基础。     

含低能量冲击损伤碳纤维层合板剩余压缩强度分析

T700/DS1202碳纤维层合板是一种目前在国内无人机领域广泛使用的复合材料.在对T700/DS1202碳纤维层合板冲击损伤及压缩后的损伤扩展情况试验检测的基础上,分析了含低能量冲击损伤层合板在压缩载荷下的破坏机理,并采用有限元法进行了模拟.结果表明,15J是冲击损伤的门槛值,当冲击能量大于等于该值时,层合板剩余压缩强度降至90％以下;压缩时冲击损伤处分层,并从心部扩展至边缘,造成层合板最终失效.     

复合材料长桁结构低速冲击响应及剩余压缩承载能力的试验研究（英文）

对3种截面形状的复合材料长桁实施了2类冲击方向的损伤试验,建立了冲击能量与可见损伤尺度之间的内在联系,并据此确定了3种复合材料长桁产生勉强目视可见冲击损伤(Barely visible impact damage,BVID)所需的临界冲击能量。针对含有BVID的复合材料长桁试样,进行了额外的冲击后压缩试验,测得每种复合材料长桁的剩余压缩强度。研究结果表明,3种不同截面形状的复合材料长桁均呈现一致的规律:相对于面外冲击载荷,面内冲击载荷对应着更小的临界冲击能量以及更大的剩余强度衰减幅度。研究还表明在2种不同方向的冲击载荷影响下,I型长桁具有最高的冲击损伤可见度、且T型长桁居中、J型长桁最弱。同时,T型长桁具有最高的剩余承载能力、且J型长桁居中、I型长桁最弱。综合冲击损伤可见度及剩余承载能力2个关键指标,可认为3种截面形状中,T型复合材料长桁性能最优。     

层合复合材料薄板高速冲击损伤研究

针对任意角度铺层的复合材料层合薄板基于高速冲击过程中的能量守恒,建立了复合材料层板高速冲击问题的力学分析模型.该模型考虑了纤维断裂、基体裂纹和分层3种主要损伤形式.根据高应变率下单层板的本构关系,采用波的传播理论,计算复合材料层板冲击后的变形区尺寸和层板应变场,利用能量守恒迭代求解弹体的冲击剩余速度和弹靶接触力等参量.文中着重研究了复合材料层合薄板高速冲击中的损伤面积和形状,详细讨论了冲击速度,弹体直径以及靶板铺层情况对损伤形状和大小的影响.数值分析结果与试验吻合,证明了本文模型的有效性.     

复合材料层合板冲击后剩余强度的工程估算方法和有限元模拟分析

为研究复合材料层合板冲击后剩余强度(CAI)的计算,本文给出了两种方法:工程估算和有限元预测.工程估算是将受冲击损伤的复合材料层合板简化为正交各向异性带孔板,按照Nuismer-Whitney平均应力准则,计算正交各向异性带圆孔板的破坏强度.作为层合板冲击后剩余强度的估算值.有限元方法则是采用Hashin失效准则和Tan的刚度降准则,在ABAQUS软件中自编UMAT材料损伤子程序,进行带孔层合板的损伤强度预估分析.结果表明,工程估算方法和有限元方法的计算结果均与试验结果相差不大,两种方法均可作为工程中估算剩余强度的有效方法.     

复合材料蜂窝夹芯板低速冲击损伤扩展特性

进行了碳纤维增强复合材料蜂窝夹芯板低速冲击试验及冲击后面内单向压缩试验,并采用解析解方法对含低速冲击损伤的复合材料蜂窝夹芯板在面内单向压载作用下的损伤扩展过程进行了预测与分析,分析结果与试验结果吻合较好.研究进一步扩展了解析解模型,使之能够预测和分析在面内双向拉压载荷作用下含低速冲击损伤的复合材料蜂窝夹芯结构的损伤扩展特性.分析结果表明,施加面内横向拉伸载荷会延迟复合材料蜂窝夹芯结构在面内纵向压载作用下低速冲击损伤扩展过程,从而提升结构在纵向的残余压缩强度.     

注油增压过程对飞机整体油箱密封结构影响研究

开展了注油增压环境对飞机整体油箱密封结构性能影响研究。开展油箱模拟试验件注油放油、充放压过程对密封结构性能影响试验,通过检测油箱模拟试验件维修口盖、对接连接区域等典型密封结构的应变大小,分析验证飞机充放压和注油过程对飞机油箱密封性能影响。注油增压过程对于油箱密封结构的应变影响范围为30%-90%范围内,验证注油增压环境是油箱密封结构耐久性的重要影响因素。验证注油增压环境对于油箱密封结构性能有重要影响,是飞机油箱密封耐久性评定研究的关键因素。     

复合材料加筋板高速冲击的损伤研究

针对航天器保护材料遭受碎石冲击的问题,提出采用对复合板进行加筋处理的方式提高复合材料层合板抗弹体高速冲击能力的方法。该方法利用ABAQUS建立有限元模型,对加筋板底层层合板内部引用cohesive模拟出层间分层,将弹体设置为离散型刚体。模拟弹体对加筋板的垂直高速冲击。通过分析弹体冲出板体的剩余速度研究复合材料加筋板的防弹效果。结果发现当弹体冲击点位于加筋条上时能很好地降低弹体的冲击速度。并发现较小的筋条间距、较大的筋条厚度可以有效增加复合材料加筋板的抗冲击能力,而筋条间隔不同对复合材料加筋板的抗冲击能力的影响可以忽略不计,本文为后续航天器抗弹体高速冲击能力研究提供了支撑。     

整体油箱口盖的密封改进设计及失效分析

整体油箱不但可以充分利用飞机空间结构,还可以减轻飞机总重量。而飞机整体油箱的口盖密封性能对飞机安全性和续航能力有很大影响,为了分析整体油箱口盖的密封失效,同时提高油箱口盖的密封性能,设计了一种新型的油箱口盖密封方式,对其进行极限承载能力试验,通过试验验证新型油箱口盖密封方式的密封性能是否提高。同时,利用有限元软件ABAQUS对试验进行了模拟计算,通过对比试验与有限元分析结果,验证了试验结果的有效性和有限元分析的可靠性,并对其密封失效进行了讨论。     

低速冲击下复合材料层合板损伤试验与模拟

对复合材料层合板进行四种不同能量的低速冲击试验,测量了不同冲击能量下的凹坑深度,并利用超声C扫描获得了层合板分层形状和面积。依照试验条件,建立复合材料层合板低速冲击三维有限元模型,模型中分别采用hashin失效准则和界面单元模拟层内失效和层间损伤,结合试验与模拟结果,讨论了复合材料层合板在低速冲击下的损伤特征,以及冲击过程中层合板内部损伤的发生及演化规律。     

编织复合材料弹体和靶板偏航撞击响应分析

为研究复合材料机匣在复合材料弹体撞击过程中弹体的破坏模式与机匣吸能特性,在ANSYS/LS-DYNA软件中基于连续损伤力学模型开展了一系列的复合材料弹体偏航撞击仿真。仿真结果表明:对于偏航撞击,随着偏航角度的增加,弹体剩余动能逐渐减小,靶板吸收的能量逐渐增大,主要是因为偏航角度越大,弹体与靶板接触面积逐渐增大。同时通过仿真得到钛合金弹体冲击复合材料靶板的计算结果,发现钛合金弹体临界穿透速度比复合材料弹体小,更易击穿靶板,因此复合材料叶片的使用不仅可以减轻叶片的质量,也有助于改善机匣包容性。     

长桁与蒙皮脱粘对复合材料加筋板承载能力影响分析

复合材料结构在制造和使用过程中,难免产生分层损伤,这些损伤都会在不同程度上影响结构的承载能力。针对复合材料加筋板,采用有限元动态显式分析方法,分析长桁与蒙皮脱粘面积对加筋壁板结构屈曲和后屈曲承载能力的影响。在ABAQUS商业化有限元分析软件及其二次开发平台上,利用用户自定义材料(VUMAT)的方法对材料性能进行连续衰减,实现加筋板轴压载荷作用下的渐进式失效分析。建立了脱粘面积与结构承载能力之间的关系,研究结果可为合理制定复合材料构件缺陷验收标准和结构修理容限提供分析依据。     

基于剩余强度的复合材料补片形状优化研究

以复合材料层合板的圆形孔洞损伤为例,利用三维有限元模型分析了六种不同形状补片修补结构在受纵向拉伸时的应力分布情况.分别仿真了常规形状的补片以及混合型形状的补片修补情形,同时利用由剩余强度理论和局部应力应变法相结合得出的数学模型,对各种修补模型进行了剩余强度的计算.通过计算得出,带倒角矩形、两圆相交型等混合型补片对损伤母板进行修理后其强度恢复明显,应力峰值较小.混合型形状补片对复合材料贴补修理有一定的指导意义.     

三维四向编织复合材料疲劳性能分析

建立基于八边形纤维束截面假设的三维四向编织复合材料单胞模型。基于单向复合材料疲劳剩余刚度和剩余强度模型,结合组分材料的疲劳失效判据和性能突降方法,建立了三维四向编织复合材料疲劳寿命预测模型。利用ABAQUS有限元软件UMAT开发了疲劳寿命预测与渐进损伤分析程序,研究了三维四向编织复合材料在不同应力水平下的损伤扩展过程和疲劳寿命。研究表明,疲劳损伤是从纤维束之间的接触面的单元开始发生损伤破坏,然后向纤维束表面以及纤维束内部开始扩散,并且损伤扩展速率随着应力水平的提高而加快。本文研究为预测三维四向编织复合材料的疲劳寿命提供了一种途径。     

复合材料层合板冲击及冲击后疲劳寿命预测方法(英文)

现有含冲击损伤复合材料层合板的寿命预测方法是建立在冲击后复合材料层合板的疲劳性能基础之上的,导致模型和方法不具有通用性。因此,针对含冲击损伤的复合材料层合板,基于逐渐累积损伤理论和无损单向板的疲劳特性,建立一种具有普遍适用性的三维逐渐累积损伤的疲劳寿命预测方法。该方法可对不同铺层参数、不同几何尺寸以及不同冲击条件下层合板的疲劳寿命进行预测。为了在缺少冲击试验时也能实现受到冲击载荷后层合板的疲劳寿命预测,对层合板在冲击载荷及冲击后疲劳载荷作用下的破坏进行全程分析,将预测得到的冲击损伤状态用于分析冲击后的疲劳寿命。同时基于全程分析的方法,开发了参数化的复合材料层合结构冲击及冲击后疲劳破坏模拟程序。与试验对比,最大误差为7.78%。     

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.     

挖补参数对低能量冲击损伤层合板修理性能的影响研究

为探索层合板低能量冲击损伤挖补修理参数及其对修理性能的影响,采用两种冲击源对T700/DS1202层合板进行了冲击试验,并进行挖补修理,测试修理后的压缩强度。结果表明：无论是何种冲击源,采用阶梯形挖补修理工艺,强度恢复率均可达79.9%以上。但在同等冲击能量等级下,锥形冲击源造成的损伤,修理后强度恢复率较低。同时,单面挖补工艺的强度恢复率更高,修理质量更稳定,压缩破坏形式以基体和纤维的压缩为主;双面挖补工艺易产生应力集中,强度恢复率低,质量稳定性差,压缩破坏形式以分层为主。     

面向纤维增强复合材料低速冲击损伤的非线性混合模型

基于连续介质损伤力学提出了一种纤维增强复合材料(Fiber reinforced polyrner/plastic,FRP)结构低速冲击损伤预测的渐进损伤模型,包含非线性剪应力应变关系和归一化的混合模式基体损伤演化,用来预测复合材料层合板低速冲击损伤。模型区分了纤维拉伸/压缩、纤维间拉伸/压缩4种层内损伤以及层间分层损伤;纤维间损伤起始由Puck失效准则预测,损伤演化由断裂面上的等效应变控制,失效判定时考虑了就位效应对强度的影响;模型中加入单元特征长度以消除计算结果对网格密度的依赖性。以[45_4/-45_8/45_4],[0_3/45/-45]_S和[45/-45/0_2/90/45/0_2/-45/45]_3三种铺层的复合材料层合板为例,预测了不同冲击能量下复合材料层合板的低速冲击损伤响应参数,试验结果证明了本文模型的有效性。     

纤维增强复合材料剩余强度衰减模型

分析了复合材料剩余强度随加载次数增加而单调衰减的疲劳损伤机理,得出复合材料剩余强度衰减率在其疲劳寿命全程内呈"快→缓→快"演化过程,并提出一个剩余强度衰减模型来描述这一过程.该模型从材料的疲劳破坏机制上分析了铺层形式对复合材料剩余强度衰减的影响,并综合考虑了材料抗疲劳性能、受载水平等影响因素.6种复合材料的系列试验数据验证了该模型.结果表明,该模型合理描述了复合材料剩余强度的衰减规律.     

任意铺层复合材料加筋板屈曲/后屈曲行为的解析解

给出了一种求解任意铺层复合材料加筋板屈曲/后屈曲问题的解析方法。首先将加筋板简化为受弹簧约束的层合板,而后通过构造位移函数,并利用伽辽金法得到了加筋板压缩、剪切和压剪载荷下的屈曲/后屈曲解析解。求解中引入了无量纲参数,使得结果更具一般性;在后屈曲行为中考虑了初始缺陷和由耦合刚度引起的前屈曲挠度,使得结果更加准确。通过与有限元结果的比较,讨论了几何参数、弹簧刚度等对解的影响。最后将该方法应用于T形加筋对称铺层复合材料加筋板的屈曲/后屈曲分析中,考虑T形筋对复合材料层板粘结区的刚度增强作用,采用刚度平均化方法引入增强效果,并与两种T形筋刚度简化模型以及有限元结果进行了比较,验证刚度平均化方法对计算加筋板屈曲/后屈曲行为的有效性。