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。     

一种非线性模型下的复合材料螺栓连接失效分析

复合材料螺栓连接结构已广泛应用于飞机结构件,研究其拉伸失效问题具有重要意义。结合Hashin失效准则、能量耗散率方法、Puck失效准则和材料损伤连续退化方法,建立一种包含面内损伤和层间损伤的复合材料三维非线性模型;将含开孔层合板准静态拉伸试验结果与有限元数值模拟结果进行对比,两者之间的应力应变响应及最终断裂失效模式一致,证明该本构模型是有效的;在此基础上,对复合材料单钉双搭接螺栓连接结构进行拉伸失效分析。结果表明:数值模拟所得位移载荷响应与试验结果吻合良好,极限拉伸载荷误差不超过5%,满足工程应用要求;加载过程中的孔边变形和损伤累积使得螺栓连接结构整体刚度下降,其最终破坏模式为中搭接板挤压失效。     

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%.      

复合材料沉头双钉单搭接连接静强度分析

对复合材料沉头双钉单搭接机械连接接头进行了静态拉伸试验,并建立了三维有限元模型,编写了材料失效准则和刚度退化准则的累积损伤程序,计算了连接孔的挤压应力和接头损伤,预测了连接的失效载荷。数值计算表明:单搭接产生的附加弯矩使孔边应力沿板厚呈三角形分布;孔边挤压损伤和螺帽的侧向压缩损伤以及极限载荷与试验结果吻合;位于搭接板自由端的钉孔弯曲变形较小,应设计为沉头孔。     

C/C机织复合材料开孔板强度有限元模拟

三维机织复合材料已在航空航天领域得到广泛应用,研究开孔C/C机织复合材料在拉伸和压缩状态下的损伤机理具有重要工程价值。建立开孔C/C三向正交机织复合材料试验件的镶嵌有限元模型,在孔周范围内按照材料的细观结构建立细观尺度有限元模型,采用基于细观力学的强度准则对其拉伸和压缩损伤演化过程进行模拟,并预测其极限拉伸、压缩载荷和拉伸、压缩强度。结果表明:在拉伸与压缩载荷下,由于缝线与纤维束接触区域的应力集中,使得开孔板经纱多处区域出现损伤起始,开孔板损伤区域均呈"X"形扩展。     

复合材料层合板结构冲击损伤数值模拟的损伤力学模型

针对复合材料结构低速冲击损伤问题,基于连续损伤力学提出了一种动力学冲击条件下的三维损伤数值模型。模型中区分了层内损伤（纤维拉伸与压缩失效、纤维间拉伸与压缩失效）和层间分层损伤不同的失效模式。采用三维Puck失效准则与考虑压缩抑制效应的Aymerich准则对上述两类损伤进行判定,材料失效后基于连续损伤力学中线性软化模型对材料损伤进行演化。模型中考虑了复合材料层合板结构中子层的就位效应和损伤分析中的“连锁效应”。通过对Shi的冲击试验进行数值模拟,模型预测的冲击接触载荷、分层形状和尺寸与试验结果吻合较好,证明了所提出的数值模型对复合材料层合板结构低速冲击损伤预测的有效性。     

含裂口损伤复合材料层合板拉伸试验及数值模拟分析

通过对无损、含损(不同长度的裂口损伤)的碳纤维复合材料层合板进行拉伸试验,研究了裂口损伤形式对碳纤维复合材料层合板拉伸性能的影响。经试验研究,碳纤维复合材料无损层合板的拉伸强度为517.37MPa;且裂口损伤使碳纤维复合材料层合板的拉伸性能显著降低。相比无损层合板的拉伸性能,裂口为5mm的层合板拉伸强度降低26.3%,裂口为15mm的层合板拉伸强度降低23.4%。采用基于三维渐进损伤失效准则编写的子程序对碳纤维复合材料层合板进行拉伸数值模拟分析,模拟了含损层合板的损伤起始过程。通过与试验结果进行比较,验证了模型的合理性。     

2D-C/SiC复合材料开孔试件拉伸特性和失效分析

通过对2D-C/SiC复合材料4mm和6mm开孔试件进行拉伸试验,研究了开孔试件的拉伸特性和失效模式,与标准试件拉伸试验结果比较获得了开孔尺寸对试件强度的影响。相比于标准拉伸试件,4mm和6mm开孔试件的拉伸强度分别减小了1.0%和6.6%。通过在开孔试件不同位置粘贴应变片,获得了试件在拉伸过程中最小净截面上的应变变化规律,直观地体现了试件拉伸过程中的应变集中现象,并通过有限元对开孔试件的应变分布进行模拟,模拟结果与试验值吻合较好;通过在试件表面粘贴声发射探头,获得了拉伸过程中试件材料的损伤参量变化规律,反映了试件的宏观损伤演化规律,并结合试件断口照片分析了开孔试件的失效行为。     

分层损伤对含孔复合材料层合板剩余强度影响

以国产碳纤维复合材料CCF300/QY8911含孔层合板静力拉伸试验为基础,建立了符合其损伤失效模式的有限元三维预测模型.通过引入Cohesive界面单元分析了层合板拉伸过程中的分层扩展,数值模拟的结果与试验结果吻合较好,破坏载荷预测结果与试验数据相比误差在5%以内.根据CCF300复合材料构件在制造过程和实际使用中产生的孔边分层缺陷的情况,在孔边预置分层,分析了初始分层损伤对于层合板剩余强度的影响.结果表明表面预制分层对剩余强度影响较小,但会引起自由边提前分层失效.      

开孔层压板拉伸破坏的2D渐进损伤模拟

运用渐进损伤的唯象描述方法,结合应力分析、失效判断、材料刚度退化对开孔层压板在拉伸载荷下从材料开始出现局部破坏直到整个构件失效的过程进行了基于2D有限元模型的数值模拟,模拟得到的位移栽荷曲线与文献曲线基本一致,对最终破坏载荷的预测与文献中的试验值相差-2.0%,与文献预测值相差1%,表明渐进损伤方法可以在工程上用于层压板的失效模拟和预测.     

复合材料层压板开孔拉伸力学性能探究

针对碳纤维复合材料层压板力学性能进行理论计算分析,并结合对某型号飞机上的复合材料层压板进行开孔拉伸试验。在层压板试验件上粘贴应变片,记录载荷应变—应力曲线,分析层压板的破坏过程,且通过比较不同的铺层,分析铺层角对层压板力学性能的影响,结合试验后试件照片,分析开孔拉伸试件的破坏模式和失效行为。最后,通过有限元分析软件对层压板进行仿真分析,仿真结果与试验吻合度很高。     

碳纤维/聚酰亚胺树脂基复合材料开孔件的连接力学性能

针对碳纤维/聚酰亚胺树脂基复合材料不同的开孔连接形式的力学性能进行研究.采用了平板轴向拉伸试验方法,对复合材料开孔件、复合材料开孔后铆接金属件、复合材料预埋开孔金属件等开孔连接形式试件的拉伸性能进行了比较,并进行有限元分析.     

缝合复合材料可用性——含孔层合板的疲劳性能

 对含孔缝合复合材料层合板的疲劳性能进行了试验研究,考察了缝合及其方向对复合材料孔板拉伸疲劳损伤扩展规律的影响。通过有限元法分析了有、无缝合复合材料含孔板的应力分布状态,对缝合复合材料孔板的拉伸疲劳损伤及其扩展机理进行了分析。研究表明,缝合改变了复合材料含孔板的拉伸疲劳损伤起始与扩展的机理,缝合方向对含孔层合板的拉伸疲劳损伤的发生与扩展有比较明显的影响。层间剪切应力对45°缝合孔板内的损伤发生与扩展起着重要作用,而且45°缝合孔板可能会出现孔边损伤以外的其他主要损伤区。     

针刺C/C复合材料拉伸强度及渐进失效数值预测

基于金相显微镜观测的针刺C/C复合材料细观结构,考虑材料内部纤维的真实分布,建立了针刺C/C复合材料单胞模型。采用Linde失效准则,考虑纤维渐进损伤对材料进行了刚度折减,通过引入周期性位移边界条件,对针刺C/C复合材料的拉伸破坏进行了有限元法（FEM）数值模拟,分析了单胞模型的渐进失效过程,并预测了材料的拉伸强度。开展了针刺C/C复合材料拉伸试验,采用扫描电子显微镜（SEM）观察了材料的断口形貌,数值预测结果与试验吻合良好。针刺C/C复合材料受拉伸载荷后发生准脆性断裂,拉伸应力-应变曲线呈双线性,0°无纬碳布发生纤维断裂和基体开裂破坏,90°无纬碳布出现横向基体劈裂,最终断裂发生在针刺纤维与面内无纬碳布交叉区域。     

叠层穿刺CF/Al复合材料准静态拉伸力学行为与失效机制

针对新型的叠层穿刺碳纤维织物增强铝基复合材料（CF/Al复合材料）,通过细观力学数值模拟与实验结合的方法研究了其在准静态拉伸载荷作用下的渐进损伤与断裂力学行为。复合材料经向拉伸弹性模量、极限强度与断裂应变的实验结果分别为129.61 GPa、630.14 MPa和0.75%,细观力学模型预测误差分别为-9.41%、7.57%和1.33%,均匀化计算的宏观应力-应变曲线与实验曲线总体上相符。经向拉伸变形初期首先出现经/纬纱交织处基体合金的局部损伤,随着拉伸应变量的增大依次发生纬纱和穿刺纱的横向开裂,拉伸变形后期基体合金与经纱失效引起宏观应力-应变曲线的急剧下降,复合材料拉伸断口表现为经纱轴向断裂及纬纱和穿刺纱横向开裂共存的形貌特征,纤维拔出和基体断裂导致的经纱轴向断裂是诱发复合材料最终失效的主要机制。     

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。     

碳纤维增强复合材料力学性能退化及失效过程的研究进展

碳纤维增强复合材料（CFRP）内部损伤的不确定性及异质材料多模式损伤耦合的复杂特性,严重制约了构件的低冗余设计以及在苛刻环境下的长寿命可靠应用。随着试验和数值模拟手段的不断进步,有力推动了碳纤维增强复合材料力学性能退化及失效过程的研究,本文在总结国内外复合材料损伤行为研究的基础上,概述了静态、冲击、疲劳载荷以及湿热环境对CFRP损伤演化及失效行为的影响,对CFRP的多种损伤模型、试验方法及所取得的成果进行归纳,并展望了高精度仿真预测建模分析及各向异性材料复杂损伤模式的损伤机理分析等方面的研究发展趋势。     

碳纤维复合材料元件静态力学测试技术及实证研究

为了验证高温、中温1和中温2碳纤维复合材料与国外碳纤维复合材料技术指标的差别,最大限度地规避国产复合材料在结构设计和使用过程中的风险,需要从宏观力学的角度,通过进行不同铺层方式的高温、中温1和中温2复合材料元件静态力学试验,对强度和应变测试数据进行比对分析,并在测试方法上有所突破。本文主要通过复合材料元件开孔拉伸试验进行分析,提出了采用引伸计来同步测量开孔拉伸强度对应应变响应的试验方法,在碳纤维复合材料元件静态力学检测中取得了良好的应用效果。     

碳纤维复合材料振动辅助制孔有限元仿真建模研究

碳纤维复合材料广泛应用于航空航天、国防、医疗等领域,针对碳纤维复合材料制孔过程中出现的入口剥离、出口分层、撕裂与毛边等质量问题,结合振动辅助切削对制孔工艺进行改进。为了有效预测碳纤维复合材料振动辅助制孔工艺的效果,结合碳纤维复合材材料本构模型进行振动辅助制孔有限元仿真建模研究。借鉴已有的复合材料本构模型,构建了碳纤维复合材料力学模型;针对仿真碳纤维复合材料在制孔过程中的分层现象,提出了黏性层模型用于模拟复合材料层间损伤,并建立了有限元仿真模型;通过在刀具边界条件上施加振动模式,实现了振动辅助制孔的有限元仿真建模。将建立的有限元仿真模型的仿真结果与已有文献试验结果进行了比较,验证了所建的有限元仿真模型的正确性,并对比分析了普通钻削制孔与振动辅助钻削制孔的仿真结果。最后得出结论:采用振动辅助钻削碳纤维复合材料可以有效地降低轴向力,抑制毛刺和分层产生。     

平纹机织与2.5D机织复合材料平板弹道冲击特性对比

为研究碳纤维平纹机织和碳纤维2.5D机织复合材料平板的弹道冲击响应及失效模式,在空气炮装置上使用圆柱弹体对其进行了弹道冲击试验。通过弹道极限速度、吸能总量、单位面密度吸能量和单位厚度吸能量等指标评估其弹道冲击特性,并采用超声C扫描和CT扫描唯象分析其冲击损伤。结果表明：在等厚度下,碳纤维平纹机织复合材料平板与碳纤维2.5D机织复合材料平板相比,展现了更优的弹道冲击性能。碳纤维平纹机织复合材料平板的主要失效模式为分层失效,碳纤维2.5D机织复合材料平板主要为剪切充塞失效。与碳纤维2.5D机织复合材料平板相比,平纹机织复合材料平板弯曲变形明显,大量的纤维拉伸失效增加了平板吸能量,提高了弹道极限速度,但分层会导致平板损伤区域大,完整性较差;碳纤维2.5D机织复合材料平板损伤区域小,完整性好。