2D-C/SiC复合材料螺栓连接结构可靠性分析

耐高温C/SiC陶瓷基复合材料因加工制造的复杂工艺,其性能参数存在明显的分散性。为了提高复合材料螺栓连接结构的可靠性建模精度,采用渐进损伤分析方法进行强度分析,采用不含交叉项二次响应面函数进行可靠性分析。采用改进的Hashin失效准则与Ye分层失效准则进行渐进损伤分析,分别对结构纤维与基体采用不同的刚度损伤模型,通过有限元仿真获得螺栓连接结构的拉伸极限承载能力,与试验值之间相对误差较小。将2D-C/SiC复合材料的刚度性能参数与强度参数作为随机变量,采用响应面法拟合结构功能函数,通过分析得到结构在拉伸载荷下的失效概率函数,并分析了各材料力学性能参数的灵敏度,发现面内剪切强度对结构可靠性影响较大。     

界面韧性对C/SiC材料拉伸强度影响分析

C/SiC复合材料的损伤失效行为与内部微细观组分的原位力学性能的密切相关。本文通过多尺度建模结合渐进损伤分析，研究了微观界面层断裂韧性对C/SiC宏观拉伸强度的影响。微观渐进损伤分析表明不同界面层韧性可以产生两种损伤扩展模式，显著改变纤维束横向拉伸和轴向剪切强度值；基于三维Hashin准则的细观损伤分析进一步表明会对C/SiC的宏观拉伸强度产生8.2%的影响。本文的结果可以为C/SiC复合材料失效分析及优化设计提供支撑。     

纤维增强韧性基体复合材料界面损伤分析

用基于内聚力的界面模型分析了纤维增强韧性基体复合材料的界面损伤,研究了连续纤维增强复合材料受横向荷载时,诸如纤维排布方式、纤维体积占有率以及纤维和机体模量比等细观参数对界面损伤和材料拉伸强度的影响.研究发现,当纤维体积占有率和纤维模量提高,以及纤维按四方排布时,虽然能增加复合材料刚度,但纤维与基体的界面更容易损伤.当界面脱粘现象存在时,复合材料的拉伸强度主要由界面强度决定.     

陶瓷基复合材料结构不确定性传播分析

陶瓷基复合材料因其耐高温、高强度比、抗腐蚀等出色的力学性能而被广泛应用于航空航天领域中。然而，制备工艺的复杂性导致陶瓷基复合材料的本构模型中存在大量的不确定性，无法合理估计给定工况下结构的力学行为。为此，本文首先探究了陶瓷基复合材料中的材料参数对其本构模型的影响，并建立了考虑孔隙率的陶瓷基复合材料各向异性本构模型。随后，进一步提出了一种基于稀疏混沌多项式展开的不确定性传播分析方法，定量地分析材料参数及外界环境的不确定性对陶瓷基复合材料性能的影响，进而为结构的优化设计提供有效指导。最后，以陶瓷基复合材料圆柱壳模型为例，验证了本文所提方法的有效性。     

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。     

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。     

针刺纤维复合材料单胞模型构建及力学性能研究进展

三维针刺纤维复合材料有独特的网状结构,变形能力强,同时针刺技术可设计性强,能制造大型复杂结构,常用于航空刹车盘、固体发动机喷管喉衬及其扩张段等结构中。在工艺成型过程中,受纤维铺层结构和针刺工艺参数等因素影响,材料针刺区域的纤维体积含量和纤维偏转路径不规则分布,容易引起应力集中,导致损伤发生,同时其内部细观结构极其复杂,导致材料的力学性能难以预报和分析。因此,本文从三维针刺纤维预制体成型工艺、三维针刺复合材料单胞建模方法和力学性能分析三个方面入手,重点介绍了预制体工艺成型过程仿真技术和复合材料工艺参数化建模方法在力学性能分析方面的应用,概述和评价了材料考虑针刺预制体成型工艺过程的细观单胞建模方法和基于实验、数值模拟的刚度、强度及损伤行为等力学性能分析方法的研究现状,同时对扩张段针刺复杂结构的性能分析进行论述。在针刺复合材料及其复杂结构的力学性能分析中,仍面临一些困难和挑战,如何建立针刺预制体成型工艺参数与针刺复合材料力学性能之间的映射关系,从材料细观结构到针刺复合材料复杂结构力学性能的分析方法,优化针刺复合材料制造工艺,是推进针刺复合材料和复杂结构在航空航天领域应用的关键。     

复合材料在宇航工业中的应用

本文列举了当前世界对复合材料开发的概况。介绍了玻璃纤维、碳纤维、有机纤维增强的树脂基复合材料以及金属基复合材料、陶瓷基复合材料的发展过程和它们在宇航工业中的应用。     

陶瓷基复合材料双剪切性能的声发射特征研究

针对陶瓷基复合材料结构损伤声发射监测模式识别及强度评估问题,利用圆柱形试样双剪切试验获取破坏过程典型的声发射波形信号,采用傅立叶和时频分析等手段,获得声发射信号特征,发现同批次试样在不同加载条件下的损伤演化规律不同.分析声发射信号历程变化特征,在典型高幅值信号下,小幅值声发射信号代表了不同的损伤模式;纤维铺层与加载方向...     

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。     

再入飞行器复合材料舱段极限应力强度分析

由于缺少可靠实用的极限强度分析方法,复合材料结构的设计长久依赖于试验验证手段确保设计可靠度,产品研制难度大。该文发展此前研究提出的通用强度失效准则和算法,开展再入飞行器复合材料舱段的应力强度分析方法应用研究,对设计重点关注的典型蒙皮与端框结构,建立有限元模型,预示其极限承载能力并与实测数据对比,结果表明:复合材料舱段极限强度的预示与实测结果吻合良好,对端框复杂结构预示精度能够达到-14.2%量值水平,复合材料舱段的结构强度可靠度有条件通过设计计算来保证。     

基于节点插值子胞模型的纺织复合材料力学性能预测(英文)

节点插值子胞模型是一种通过虚位移原理和代表性体积单元建立宏观和细观应变之间关系的细观力学方法。采用节点插值子胞模型进行二维纺织纤维增强陶瓷基复合材料的力学性能预测。分别建立二维平纹和交叉编织复合材料单胞的细观结构分析模型,分别采用三次B样条和正弦曲线来模拟经纱和纬纱的截面和弯曲形式,并根据纤维和基体中的孔隙含量对其模量进行折减,采用节点插值子胞模型进行宏观力学性能预测,并分析了细观结构参数和纤维体积含量对材料力学性能的影响。节点插值子胞模型的预测结果与有限元法比较表明:采用节点插值子胞模型进行二维平纹和交叉编织陶瓷基复合材料力学性能预测的有效性和可行性。     

金属基复合材料的切削加工

选用四种切削性能优良的刀具材料：细晶粒硬质合金、陶瓷、立方氮化硼和聚晶金刚石，对两种典型的金属基复合材料即氧化铝纤维增强与碳化硅颗粒和氧化铝纤维混杂增强铝基复合材料的切削加工性进行了全面深入地研究。结果表明：加工混杂增强铝基复合材料时，聚晶金刚石刀具的磨损阻力最大。而加工纤维增强复合材料时，细晶粒硬质合金刀具的磨损率低、工件表面完整性好且加工成本最低。本文对刀具的磨损机理也进行了深入探讨。最后，从刀具磨损和表面完整性观点出发，给出了加工不同金属基复合材料的最佳刀具材料。     

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。     

紫外固化环氧树脂复合材料及其修补性能研究

为了推进紫外固化技术在树脂基复合材料的制备及结构修补中的应用,制备了紫外固化环氧树脂基复合材料并进行力学性能测试和微观组织分析。在此基础上,采用紫外固化复合材料对含人工缺陷的层合板试样进行了修补。结果表明,与热固化复合材料相比,采用紫外固化技术制备的复合材料具有良好的综合力学性能,复合材料中树脂基体与纤维之间结合良好;紫外固化复合材料制成的修补贴片对缺陷试样的修补效果显著,修补后试样的拉伸强度可以达到标准试样的84.1%,是缺陷试样的1.21倍。实验证明采用紫外固化复合材料修补贴片对缺陷进行修补是一种快速、有效的修补方法。     

宏/细观一体化多尺度数值分析的进展与应用

以C/SiC为代表的纤维增强陶瓷基复合材料具有多尺度特征，传统的复合材料力学理论和以均匀化假设为基础的常规有限元分析方法难以全面准确地评估其力学行为。因而，近年来以跨微观-细观-宏观为特征的多尺度数值模拟方法被广泛应用于评估复合材料的力学特性，加快了新一代复合材料的研发和推广应用。本文首先从分析策略角度，对目前学术界的多尺度数值计算方法的发展情况进行了分类概述，总结了不同宏/细观多尺度方法的特点。在此基础上提出了新的采用过渡区域的宏/细观一体化多尺度建模计算方法，给出了开孔板和典型连接的算例结果，并探讨了其面临的技术难点及合理应用场景。以热结构最常用的典型盒型件为对象分析了其力学特点，给出了采用这种建模计算的必要性和分析策略。     

基于多尺度方法的飞行器结构强度分析

建立了一套飞行器结构多尺度分析方法,能够较为高效、准确地分析飞行器结构的力学行为,确定危险区域以及研究损伤模式。采用层次多尺度法,分别建立了飞行器整体结构、局部舱段结构、单钉连接模型三种有限元模型,对飞行器结构进行分析。建立了宏观变量与细观响应之间的信息传递和反馈。对三向正交碳/碳机织复合材料的宏观刚度和强度性能进行了预测,建立了宏观损伤起始包络线。采用协同多尺度法对单钉连接模型进行渐进损伤分析。研究表明该方法具有良好适用性,能够较为准确地分析结构的损伤模式,为飞行器结构设计提供参考。     

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。     

航空高强度碳纤维单向层合结构复合材料在切削过程中的各向异性行为研究

单向层合结构的高强度碳纤维增强树脂基复合材料已逐渐发展成为航空承力结构件的主要材料,相关的切削加工需求也越来越多。由于显著的各向异性,单向层合结构的碳纤维复合材料易在切削加工中形成缺陷,难切削加工性明显。采用直角自由切削试验的方法,得到了T700航空高强度碳纤维单向层合结构复合材料在不同纤维方向角下的切削力、切削比能、切削温度、切削加工表面。基于试验结果讨论了碳纤维单向层合材料在切削过程中力热行为的各向异性,得到了不同切削参数条件下的切削比能图谱以及碳纤维复合材料的切削热源和传导模型。通过扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)分析了典型切削加工表面的特征,得到了不同纤维方向下的表面形成规律。     

关于复合材料层合板结构力学性能数值仿真架构的讨论

纤维增强树脂基复合材料(Fiber reinforced plastic,FRP)层合板结构力学性能仿真的关键在于材料损伤机理的准确描述,以完整构建材料内部损伤场在整个能量传递历程中的渐进演化。损伤场、材料属性场、应力应变场在循环迭代中相互转化,将此三场间的逻辑体系进行综合构建,就形成了FRP数值仿真体系的基本架构。材料本构、非线性求解、损伤起始准则、损伤演变准则、网格尺度及就位效应是该仿真架构的核心模块。本文对各核心模块进行了汇集和梳理,并给出优选的模块搭建方案。最后通过算例验证了所提出的FRP力学性能仿真架构及其优选搭建方案的合理性及有效性。