复合材料疲劳分层扩展数值仿真分析研究

疲劳分层是导致复合材料结构失效的主要原因，建立有效的数值仿真分析方法，实现对疲劳分层的准确预测，对复合材料结构设计分析具有重要意义。本文针对复合材料Ⅰ型疲劳分层扩展问题，参考相关文献已有研究，将Paris分层扩展准则与内聚力模型相结合，建立了疲劳分层扩展内聚力本构关系；并通过ABAQUS材料用户子程序二次开发，建立了疲劳分层扩展数值仿真分析模型，实现了对不同应力比下分层扩展行为的有效预测。研究表明，疲劳分层扩展速率随应力比的升高而上升；数值仿真结果与试验结果吻合很好，验证了本文所建立的数值仿真分析模型的有效性。     

纤维增强复合材料层合板分层扩展行为研究进展

纤维增强复合材料层合板在航空航天等领域被广泛应用,分层损伤是层合板主要的损伤形式,一直是复合材料力学研究的焦点问题之一。本文从试验研究、理论分析和数值模拟3个方面对国内外在纤维增强复合材料分层问题所取得的研究成果进行了系统综述,重点介绍了单向复合材料I型、Ⅱ型和I/Ⅱ复合型层间断裂韧性测试方法和原理以及多向层合板分层扩展行为的试验研究。得到了表征和评价分层失效机理和扩展行为的纤维桥接模型、静力分层扩展准则和疲劳分层模型,并详细阐述了采用内聚力模型（CZM）、虚拟裂纹闭合技术（VCCT）和扩展有限元方法（XFEM）等先进数值方法模拟分层扩展的研究现状。最后,对复合材料层合板分层扩展研究的发展方向进行了展望。     

压差载荷对蜂窝夹层结构分层扩展影响研究

复合材料蜂窝夹层结构随飞机起飞-巡航-降落过程中,反复经受内外压差载荷。为研究地空地压差载荷对复合材料蜂窝夹层结构中蒙皮和蜂窝之间胶接面分层扩展行为的影响,设计了可叠加压差疲劳载荷谱和压缩疲劳载荷谱的试验装置,对含预埋分层的复合材料蜂窝夹层平板开展了重复载荷试验研究,一组试验施加压缩疲劳载荷谱,另一组试验施加压缩疲劳载荷谱叠加地空地压差载荷谱。破坏试验件的剖切检查表明预埋分层沿垂直于压缩载荷方向在胶接层内扩展。在约80%极限载荷水平的压缩疲劳载荷谱下,分层初始经历一段缓慢扩展,达到一定程度后开始加速扩展直至破坏。叠加的压差载荷谱使分层扩展速率显著加快。基于试验构型的有限元仿真分析表明压差载荷作用下蒙皮与蜂窝之间的面外剥离应力是导致损伤扩展加快的主要原因。     

飞机典型壁板结构剪切屈曲疲劳试验与分析方法

依据疲劳分析中的细节疲劳额定值法，提出了一种针对纯剪状态下飞机典型壁板结构的屈曲疲劳分析方法。采用整体垫板形式设计典型壁板试验件，避免“对角拉”方式施加剪切载荷时的非关键区破坏；建立剪切屈曲疲劳状态下细节疲劳额定值的分析模型，并给以试验验证；分析结构屈曲疲劳破坏模式，给出结构破坏及裂纹扩展特征，为结构抗屈曲疲劳设计提供技术支持。结果表明：屈曲疲劳的破坏多由于铆钉处受弯曲应力和剪切应力双重影响造成；起裂裂纹沿着垂直于屈曲波的方向扩展，当裂尖靠近屈曲波中心时，扩展速率急速增长；结构屈曲临界载荷随循环次数的增加而减少；提出的屈曲疲劳分析模型是合理可行的，这为结构后屈曲状态下的疲劳评估提供一种便利的工程算法。     

外来物冲击损伤对复材加筋板屈曲特性影响研究

为发挥复合材料加筋壁板的后屈曲承载能力,设计了含冲击损伤加筋壁板压缩失稳疲劳试验。讨论了外来物冲击损伤对失稳临界应力的影响,以及结构在疲劳载荷下,失稳-恢复-失稳的后屈曲承载过程中,屈曲损伤的扩展情况。结果表明,外来物冲击对失稳临界应力影响不明显。该型复合材料加筋壁板有较好的失稳疲劳特性,为复合材料加筋壁板设计提供了思路。     

环氧基复合材料的混合模式分层

 采用混合模式弯曲试验研究了Ｔ３００／Ｍ１０和ＨＴＡ／６３７６两种复合材料静态和疲劳加载的分层断裂行为。在不同α／Ｌ比和混合模式比条件下加载,两种材料呈现脆性不稳定或脆性稳定的裂纹扩展。在疲劳加载中,裂纹扩展始终是稳定的。混合模式比对分层韧性、疲劳裂纹扩展速率和疲劳门槛值均有明显影响。     

含分层缺陷复合材料层合板分层扩展研究

采用基于粘聚区模型(CZM)的粘接元方法对含分层缺陷复合材料层合板进行了分层扩展研究。在缺少材料层间试验数据的情形下,应用了一种参数估算法确定粘接元的界面强度和刚度,并计算得到了含分层缺陷复合材料层合板的分层起始及扩展载荷,计算结果与试验值吻合良好,验证了所用方法的有效性。在此基础上,分析了不同分层位置对分层屈曲载荷、分层起始及扩展载荷的影响,并讨论了铺层角度对分层扩展方向的影响。     

复合材料开孔薄壁加筋板剪切屈曲及后屈曲研究

薄壁加筋结构是飞机尤其是直升机结构的典型构型,随着复合材料在直升机上的大量使用,研究复合材料加筋薄壁结构在开孔后的剪切屈曲和后屈曲问题的分析方法,提高分析进度,是直升机结构强度设计的技术关键。以复合材料开孔薄壁加筋板试验为基础,测试了加筋板剪切屈曲和后屈曲应变及载荷历程,仿真分析了试验结果,建立了一种以risk算法、Hashin失效准则的有限元分析模型,提供了一种复合材料开孔薄壁加筋板剪切屈曲和后屈曲分析的设计方法。     

复合材料层合板疲劳逐渐累积损伤寿命预测方法

针对疲劳载荷作用下的纤维增强复合材料层合板, 发展了疲劳逐渐累积损伤寿命预测方法.该方法主要包括应力分析、失效分析及材料性能下降三部分.其中, 应力分析是通过三维有限元数值分析技术实现的;失效分析采用改进的Hashin静态失效准则判断疲劳损伤的产生和扩展;材料性能是基于突降和渐降两种准则进行退化的.所发展的方法可以预测不同铺层顺序、不同几何尺寸的复合材料层合结构在疲劳载荷下的损伤起始、扩展、直至结构最终破坏整个过程, 并预测其疲劳寿命.同时, 在ANSYS软件平台上, 开发了相应的参数化复合材料层板结构的疲劳逐渐损伤分析程序.与已有文献结果比较, 误差在10%以内.      

复合材料机身壁板的强度分析与试验验证

复合材料在大型客机机身主承力结构应用是近年来的发展趋势，通过分析与大型壁板试验结合的方式研究了复合材料机身壁板的静力承载能力，以及疲劳与损伤容限特性。采用理论公式、半经验公式、有限元模态分析研究了蒙皮的屈曲载荷、壁板的承载能力。依靠创新的机身壁板多轴载荷试验系统，模拟机身壁板的实际受载情况，实现充压载荷、拉伸/压缩、剪切载荷的独立施加与组合施加。通过静力试验验证蒙皮屈曲的工程及有限元分析方法和壁板的剩余强度承载分析方法。引入预埋缺陷、BVID、VID冲击损伤，通过试验研究了损伤对应变分布的影响，并通过疲劳、损伤容限试验，验证了壁板的设计以及损伤的无扩展特性。     

含分层损伤的复合材料层压板轴压剩余强度分析

基于渐进损伤分析方法对含正方形分层损伤的复合材料层压板开展了剩余强度仿真分析。不同损伤尺寸大小的仿真结果表明,层压板的轴压剩余强度和失效机理与分层损伤尺度密切相关,分层损伤尺寸较小时,层压板剩余强度对损伤尺寸不敏感,降低幅度较小;损伤尺寸大于某一临界值后,层压板剩余强度较完好结构件大幅度下降,并趋于稳定;中小尺寸分层损伤层压板在屈曲后,其失效模式为结构件中部横向整体直接压溃;大尺寸分层损伤层压板出现子层屈曲诱发的界面损伤并扩展,在复合材料薄板中部压溃前达到最大剩余强度。该仿真结果对复合材料损伤容限设计、修理具有指导意义。     

层合板螺栓连接结构疲劳寿命预测

为了准确预测复合材料连接结构损伤的产生和扩展,基于单向板疲劳性能预测层合板螺栓连接结构疲劳寿命。用T300/BMP-316单向板试验数据对正则化疲劳寿命与剩余强度的参数进行拟合;在复合材料基体主控失效判据基础上增加纤维失效和分层失效判据,改进基于断裂韧性的失效准则判定损伤的产生和扩展;采用二级载荷疲劳寿命等效实现损伤的非线性累积,再对相应的损伤进行材料性能退化。预测结果与试验对比表明:对不同几何参数层合板连接结构的对数寿命预测与试验误差在5%以内,对不同应力水平下层合板连接结构的对数寿命预测与试验误差在10%以内,最终破坏模式及损伤区域的预测与试验结果吻合良好。     

含分层损伤国产碳纤维CCF300与T300碳纤维复合材料层合板压缩失效模式

对含单个分层损伤国产碳纤维CCF300与T300碳纤维复合材料层合板进行压缩试验,通过对同种中等厚度含不同分层大小、不同分层位置的层合板压缩失效后的宏微形貌及超声波C扫描检测结果的分析,研究了分层大小及分层位置对于国产碳纤维及T300纤维复合材料层合板失效模式造成的影响,比较了两种纤维复合材料失效模式的异同.结果表明,预制分层在压缩过程中都发生了扩展,而分层位置是影响其压缩失效模式较为重要的因素.对于分层位置较深的层合板,其失效模式往往为首先发生分层扩展,进而子层板剪切屈曲失效.总的分析表明,国产碳纤维复合材料与T300纤维复合材料含分层损伤层合板的压缩失效模式基本相同.      

分层缺陷对复合材料加筋层压板压缩强度的影响

针对飞机复合材料加筋层压板结构,设计了含有预埋分层缺陷的复合材料加筋层压板的典型试验件以及压缩试验装置,研究了分层缺陷位置和大小对加筋板压缩强度的影响。研究结果表明:分层缺陷会改变加筋板的破坏模式,浅表分层在压缩过程中表现为局部屈曲模态,局部屈曲强度只有其破坏强度的30%~60%,分层直径增加,局部屈曲强度降低。局部屈曲发生后,加筋板尚可进一步承载,直至层板失稳破坏。本文给出的数据和结论对实际飞机结构设计的参数确定和生产过程中的超差问题处理具有重要参考价值。     

复合材料盒段静力,耐久性和损伤容限一体化试验研究

本文通过某军机机翼整体油箱盒段在国内首次成功地完成了静力、耐久性和损伤容限一体化试验,给出了一整套符合结构完整性大纲要求的验证技术和工程上实用的试验程序;探索了试件上预制模拟各种低速冲击的人工损伤对复合材料结构静力、耐久性和损伤害限特性的影响程度;证实了用加重谱进行复合材料结构耐久性和损伤容限试验是解决复合材料疲劳分散性的有效技术途径;证明了复合材料盒段在引入冲击损伤后用加重谱进行耐久性试验,其密封功能仍满足国军标要求;验证了以冲击压缩破坏曲线的门槛值为基础确定设计许用应变值进行设计的复合材料结构具有“静力覆盖疲劳”和“损伤不扩展”特性。同时指出了该设计思想的保守性和局限性,提出了更新上述设计思想的研究方向。     

复合材料层板疲劳分层扩展研究

为了分析复合材料层板疲劳分层扩展行为,基于Abaqus有限元分析平台,建立分层扩展复合材料层板有限元分析模型。选用基于能量释放率的分层扩展判据,结合剩余强度模型弱化材料性能,引入VUMAT用户子程序实现模型疲劳损伤失效的判断及材料刚度性能的折减,模拟含分层复合材料层板在疲劳压缩载荷作用下的分层扩展行为。结果表明:分层长度随着疲劳载荷地施加不断增大,但扩展速率逐渐减小,最终分层长度达到稳定值,与实验结果吻合良好。     

含分层损伤复合材料层板压缩分层疲劳扩展研究

采用基于Mindlin一阶剪切理论的连续壳单元,建立了预测含分层损伤复合材料层板在压缩疲劳载荷作用下的分层扩展3D模型,分析了含穿透分层复合材料层板在压缩疲劳载荷作用下的分层扩展行为。利用累积损伤理论,对层板内出现的各种典型损伤进行相应的刚度折减,并在循环加载过程中对材料性能进行强度弱化。利用虚裂纹闭合技术(VCCT)计算分层前缘处的能量释放率,结合混合断裂判据判断分层是否扩展,进而得到压缩疲劳载荷作用下分层扩展规律。计算模型通过大型商用有限元软件和自编程序实现。通过对数值仿真结果和试验结果进行比较,验证了模型的合理性和准确性。     

碳纤维/双马树脂复合材料整体成型过程分层扩展行为实验研究

针对复合材料构件热压罐成型过程中常见的分层缺陷,考察了整体成型工艺温度对分层扩展、QY8911双马树脂基体韧性及T300/QY8911层合板Ⅰ型层间断裂韧性的影响,并通过分层扩展断面形貌深入分析了复合材料整体成型工艺中分层扩展的路径和断面破坏模式,给出了复合材料整体成型工艺和结构设计的优化建议措施。结果表明,随着整体成型最高温度的升高,分层扩展程度增大,QY8911双马树脂基体的拉伸强度和拉伸模量逐渐降低,T300/QY8911层合板Ⅰ型层间断裂韧性逐渐增大;对分层扩展断面进行SEM扫描电镜分析发现分层扩展沿着层间开裂,断面内存在基体断裂和基体/纤维界面脱粘两种破坏模式,Ⅰ型层间断裂是复合材料整体成型工艺中分层扩展的典型微观特征。     

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.     

低速冲击损伤对复材加筋板压缩性能的影响

对无损伤及含低速冲击损伤的复合材料加筋板进行了压缩试验,分别采用数字图像相关方法（DIC）、电测法对加筋板屈曲后屈曲行为进行了实时测量。试验结果表明：冲击损伤对屈曲载荷、屈曲模态影响不明显,对破坏载荷及破坏模式影响较大;相比于完好加筋板,含冲击损伤加筋板蒙皮纤维损伤沿着横向扩展,导致结构提前破坏,强度降幅达30%。随后,采用软化夹杂法对冲击损伤进行了等效简化,并基于改进的Tsai-Wu准则、二次应力准则建立了复合材料加筋板渐进损伤有限元分析模型,分别对完好及含冲击损伤加筋板压缩后屈曲失效过程进行了模拟。与试验结果相比,预测的屈曲载荷误差小于1%,破坏载荷误差小于6%,屈曲模态、失效过程及破坏模式均与试验结果一致。最后,基于有限元分析方法讨论了蒙皮上冲击损伤位置对加筋板压缩性能的影响,分析得出：冲击损伤位置对屈曲载荷、屈曲模态影响较小,对破坏载荷和破坏模式影响较大,特别是当冲击损伤位于长桁帽底蒙皮波谷时引起的强度降幅最为显著。