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。     

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。     

复合材料低速冲击损伤面积神经网络估算方法

损伤面积是复合材料层合板在受低速冲击后其损伤严重程度主要表征参数之一。本文基于3层拓扑结构的BP人工神经网络,以冲击能量和凹坑深度作为输入参数,建立了损伤面积的快速估算模型。利用试验样本数据对BP神经网络模型训练后,选取样本数据进行仿真验证。对比分析说明该损伤面积估算模型具有良好的试验数据内在联系发掘能力,估算准确性与效率较高。本文研究为复合材料层合板低速冲击损伤面积估算提供了一种新的有效方法。     

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.     

冲头对层合板低能量冲击损伤有限元模拟精度的影响

为探索冲头对低能量冲击损伤有限元模拟精度的影响,基于连续损伤力学模型,采用基于应变的Hashin失效准则,并利用VUMAT子程序实现刚度折减,建立了预测复合材料层合板低能量冲击损伤的数值模型;并选用圆形和锥形冲头进行了落锤低能量冲击试验,测量了冲击损伤形貌。研究结果表明:低能量冲击条件下,模型可以较为准确的预测损伤深度及面积,但相较于圆形冲头,锥形冲头的预测精确度更高,且在25J≥冲击能量≥15J时,模型预测精度更高。     

复合材料层合板疲劳寿命分析的系列单元失效模型

采用有限元方法发展了一个复合材料层合板疲劳寿命分析的系列单元失效模型,模型给出了复合材料层合板刚度退化、内部损伤和损伤累积规律,把层合板的失效过程模拟成单元刚度逐步退化、应力不断重新分布、单元损伤不断累积的动态过程。利用ANSYS软件进行了两个算例分析,分析预测结果与试验结果吻合较好。     

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%。     

FRP层合板抗冲击能力与损伤面积的经验估计法

纤维增强树脂基复合材料（Fiber reinforced polymer, FRP）层合板的冲击损伤面积是衡量损伤严重程度的主要表征参数。本文依据冲击损伤演化特征将冲击损伤演化过程划分为4个阶段。基于弹簧-质量模型对FRP层合板产生初始分层的损伤门槛值进行计算,而后以一组对照试验确定层合板损伤面积随冲击能量的变化速率,最终建立了冲击损伤面积的经验估算模型。选取3种不同材料的冲击试验数据进行了统计验证,对比分析结果表明预测模型具有良好的预测精度,且计算简单。     

基于CDM的复合材料层合板三维非线性渐进损伤分析

建立了基于连续介质损伤力学(CDM)的中等尺度复合材料层合板三雏渐进损伤分析模型.模型中损伤材料本构方程采用对应于不同损伤模式的内部状态变量进行描述,材料失效准则采用三维HASHIN准则.分析了含孔复合材料层合板压缩试件.计算强度与试验数据的吻合表明该模型可用于预测舍孔层合板的压缩强度,同时该模型可以预测层合板的失效模式以及损伤发生、扩展直至最终破坏的整个过程,并且该模型具有较好的计算收敛性.     

复合材料单排多钉连接三维累积损伤强度分析

机械连接是复合材料结构的主要连接形式,针对复合材料层合板单排多钉双剪联接接头,建立了静拉伸三维累积损伤模型,考虑了多种最终失效判定准则;考虑了单排钉不同的几何尺寸。结合有限元技术即应力分析、失效判定准则、损伤后材料性能退化及机械连接最终失效准则,对复合材料机械连接接头部位在静载作用下的累积损伤失效过程及各钉孔孔径的变化过程进行模拟分析。用该模型预测的结果与试验结果进行了比较分析,数值分析结果与试验结果比较一致。     

真空辅助湿铺贴阶梯形挖补修理后层合板拉伸破坏模拟

对玻璃纤维增强复合材料真空辅助湿铺贴阶梯形挖补修理后层合板建立了三维有限元模型,进行了拉伸破坏模拟。发展了考虑剪切非线性的复合材料各向异性连续损伤力学模型,用于模拟母板与补片复合材料单向带失效。采用基于双线性cohesive本构的接触分析模拟了真空辅助湿铺贴阶梯形挖补修理后形成无厚度二次固化界面。数值模拟结果与试验结果吻合较好表明所采用的模型能很好地预测整个修理结构的拉伸性能。最后,分析了整个拉伸过程中层合板斜接挖补修理结构的损伤破坏过程。     

压缩载荷下非对称变厚度复合材料层合板性能研究

对非对称结构形式的变厚度复合材料层合板在准静态压缩载荷下的失效机理进行了试验和数值研究。在ABAQUS/Explicit中建立全新的三维有限元模型（Finite element model, FEM）,其中Hashin准则用于复合材料层合板渐进失效分析,内聚力建模用于模拟分层的萌生和扩展。根据试验得到的应变数据分析,不连续的中性轴使层合板中产生弯矩,这些弯矩与轴向压缩载荷相互耦合,共同作用在层合板上。有限元结果表明,在薄段和变厚度段的交界处存在明显的应力集中,且薄段的应力大于厚段的应力。在交界处,发生了分层以及纤维和基体的压缩损伤,这与试验的结果一致。FEM预测的极限荷载比试验测得的平均极限荷载小10.7%,证明了模型的可行性和合理性。     

平面机织复合材料低温力学性能数值分析与试验验证

建立了单向玻璃纤维增强复合材料及酚醛树脂基平面机织复合材料层合板周期性单胞三维(3-D)有限元模型,在两个模型的有限元分析中引入周期性边界条件,保证了周期性单胞边界面的应力和应变的连续性。通过有限元模拟获得单向纤维增强材料的各项力学参数。模拟了常温及低温情况下基体模量改变这两种情况下层合板拉伸、压缩和剪切的渐进损伤过程。引入合适的损伤起始和损伤扩展准则,预测了层合板在两载荷下的破坏过程。在常温和-50℃两种情况下,对平面机织复合材料进行了拉伸、压缩、剪切试验。将有限元模拟结果与层合板在常温和低温下的试验结果进行了对比,进一步讨论了影响酚醛树脂基复合材料层合板低温力学性能的因素,得出了材料在低温情况下力学性能优于常温情况,同时也用试验验证了分析方法的正确性。     

复合材料波纹腹板梁坠撞试验与数值模拟

为了探究复合材料波纹腹板梁在坠撞过程中的吸能性能,对复合材料波纹腹板梁试验件进行了动态冲击压溃试验研究,得到了试验件的损伤破坏形貌以及载荷和能量的历程曲线。基于ABAQUS/Explicit平台二次开发得到了模拟复合材料波纹腹板梁冲击压溃过程的仿真分析模型,模型采用了改进的Hashin损伤判定准则和Choi-Chang准则综合判断单元失效,并结合Cohesive界面单元,可较为真实地反映所研究复合材料层合结构的各向异性和渐进损伤特性。通过数值模拟得到了能量评估参数比吸能（Specific energy absorption, SEA）和平均压溃载荷,与试验结果进行了对比分析。基于仿真分析模型,本文进一步研究了不同波数的复合材料波纹腹板梁的吸能能力。数值模拟结果表明：波纹腹板梁在冲击载荷作用下发生了渐进压溃失效;平均压溃载荷的相对误差较小,验证了模型的有效性;在腹板单波长度不变的情况下,波纹腹板梁的长度对抗冲击吸能的影响较大。当波纹腹板梁长度较小时,结构容易失稳,无法有效地吸收能量。     

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.     

钉头型式对复合材料层合板机械连接强度的影响

通过3种不同铺层比例的复合材料层合板机械连接接头的挤压强度测试,研究了钉头型式对复合材料层合板机械连接挤压力学性能的影响,获得了沉头螺栓挤压强度修正系数。试验数据表明：采用沉头螺栓的复合材料机械接头 的挤压强度,可达到采用凸头螺栓的复合材料机械连接挤压强度的90%左右,但接头刚度仅为采用凸头螺栓的复合材料接头刚度的40%~50%。研究采用Hashin失效准则和Tan-Camanho损伤扩展方法,对两种钉头型式的复合材料层合板机械连接接头的挤压失效过程进行了有限元分 析,预测了复合材料层合板机械连接接头的偏移挤压强度和极限挤压强度,模型预测值与试验值的误差不超过15%。     

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。     

穿孔泡沫夹层复合材料低速冲击性能试验研究

针对普通泡沫夹层复合材料层间性能较弱的问题，提出在泡沫上预先打孔的方法，在泡沫芯材中形成胶钉从而提高泡沫夹层材料的力学性能，并对穿孔泡沫夹层复合材料的低速冲击性能进行了研究。通过手糊和真空辅助成形工艺制备穿孔泡沫夹层复合材料试验件，对其进行不同能量的低速冲击试验，记录接触力、冲头位移和能量吸收率等力学响应，并采用目视检测和超声C扫无损检测两种方法确定冲击损伤的范围，探究胶钉密度、打孔深度和泡沫槽宽等变量对穿孔泡沫夹层复合材料低速冲击阻抗性能的影响。试验结果表明，随着冲击能量的增加，最大接触力、最大冲头位移和残余变形均增加，凹坑深度和内部损伤面积也增大，同时结构的能量吸收率也有所提高；适当地增加胶钉密度和泡沫槽宽能提高穿孔泡沫夹层材料的低速冲击阻抗性能，而泡沫孔深度对其冲击性能的影响较小。     

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.