陶瓷基复合材料螺栓渐进损伤计算与强度预测

为了准确预测陶瓷基复合材料螺栓的强度及损伤演化过程,建立了陶瓷基复合材料螺栓有限元模型,并采用渐进损伤模型实现了陶瓷基复合材料螺栓的失效分析,形成通用有效的陶瓷基复合材料结构渐进损伤有限元仿真方法。计算结果表明：陶瓷基复合材料螺栓在载荷1129N时萌生损伤。加载到失效载荷（1459N）时,损伤沿着螺纹槽扩展至整个螺纹槽。最后,损伤从螺纹槽扩展至螺杆中心导致螺杆断裂失效。螺栓的破坏位置在螺纹接触最上面的螺纹槽处,螺栓断裂的主要原因是材料的Z向拉伸破坏。     

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。     

纤维增强钛基复合材料横向拉伸性能数值模拟

为研究SiC/Ti-6AL-4V纤维增强钛基复合材料在横向拉伸载荷下的力学特性,建立了三维细观有限元模型;利用ANSYS软件接触单元和内聚力材料模型,对其制备残余热应力及横向拉伸载荷下的界面脱粘、基体失效进行了数值模拟。结果表明:考虑界面材料属性的细观力学有限元单胞模型,可较好地模拟纤维增强钛基复合材料在横向拉伸载荷下的界面脱粘、基体失效;横向拉伸载荷下,复合材料基体细观结构内部应力分布不均导致基体材料利用率下降,是造成复合材料横向强度低于基体材料强度的主要原因。     

二维三轴编织复合材料压缩失效行为的细观有限元模拟

为研究典型二维三轴编织复合材料（2DTBC）的压缩破坏机理,建立了细观有限元模拟方法体系。提出了反映编织复合材料真实几何特性的单胞模型建模策略,根据Murakami-Ohno损伤理论建立了各向异性损伤模型来模拟纤维束中的损伤起始和扩展行为,通过引入波动系数描述了纤维束的起伏状态,并采用内聚力单元来模拟界面分层。在此基础上,分析得到了二维三轴编织复合材料在压缩载荷下的破坏过程,研究了压缩载荷下纤维束和界面层的损伤演化,探讨了纤维束波动对压缩性能的影响规律。通过与相关试验结果对比,该模型能够准确预测二维三轴编织复合材料在面内压缩载荷下的力学响应和主要失效行为,以及自由边效应。细观失效过程分析结果表明,二维三轴编织复合材料轴向压缩的破坏是由轴向纤维束的纤维压缩失效主导的;横向压缩破坏则是由偏轴纤维束的纤维压缩失效引起的。     

纤维增强钛基复合材料结构强度计算模型建立与修正方法

为了对SiC纤维增强钛基复合材料结构强度进行准确预测,基于宏-细观力学跨尺度分析方法,对复合材料强度进行计算。建立了复合材料层合板的有限元仿真计算模型,对复合材料层合板在横向拉伸与压缩载荷作用下的损伤演化及失效强度进行预测,并进行试验验证。建立细观力学代表体积元（RVE）模型,对模型施加周期性边界条件,实现横向拉、压载荷下基体的应力集中系数以及失效强度的计算。考虑结构实际受载中,复合材料的界面开裂对横向强度的影响,对模型进行修正,分析界面开裂的过程,计算修正后模型的应力集中系数以及失效强度,修正后的模型预测精度提升6.51%,与试验值误差为24.17%,验证了纤维增强复合材料强度计算方法的有效性。     

含孔隙的2.5D编织陶瓷基复合材料弹性常数预测

为获取更为全面的编织陶瓷基复合材料弹性常数,支撑材料力学性能研究,提出考虑纤维性能退化和基体孔隙的编织陶瓷基复合材料弹性常数预测方法。围绕25D编织陶瓷基复合材料,通过微焦点断层扫描获取材料孔隙率和孔隙分布,并测量碳化硅纤维单丝经热处理后的高温强度和模量。再结合细观力学有限元法理论,通过Digimat建立含孔隙的25D陶瓷基复合材料代表体单元有限元模型,计算得到材料弹性常数。同时对元件级试验件进行了室温单向拉伸和面内剪切试验,弹性常数计算值和试验值吻合较好,验证了该方法可以用来预测含孔隙的25D编织陶瓷基复合材料的弹性常数,为其力学性能与失效机理分析建立基础。     

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。     

基于三维通用单胞方法的平纹编织复合材料多尺度损伤模拟方法

为了解决编织复合材料多尺度损伤模拟的技术难题,发展了基于三维通用单胞模型(GMC)的多尺度损伤模拟方法。基于通用单胞方法基本理论,推导宏细观参量的转换公式,设计了宏细观损伤增量步迭代流程。以二维平纹编织陶瓷基复合材料为例,开展了结构单胞的细观损伤模拟,以及其平板试验件的多尺度损伤模拟,得到了细观损伤云图和宏观应力应变曲线。研究表明:该方法模拟的结构单胞细观损伤过程与文献描述的损伤机理相符,预测的平板试验件损伤过程的应力应变曲线与试验结果基本吻合,所预测强度值的相对误差小于5%。     

层合陶瓷基复合材料多尺度应力-应变计算模型

对层合陶瓷基复合材料(CMCs)的应力-应变行为进行了研究。基于多尺度分析方法,实现了由组分性能参数到层合陶瓷基复合材料整体应力-应变的计算。采用可实现单向纤维增强陶瓷基复合材料应力-应变计算的细观力学模型,由材料的细观组分性能计算出单向板的非线性弹性性能,并将单向板的弹性性能作为层合复合材料模型的输入参数,通过有限元法计算层合陶瓷基复合材料的整体应力-应变响应。与试验数据的对比表明:采用该模型可以实现层合陶瓷基复合材料在单调拉伸载荷及拉伸加卸载条件下应力-应变曲线的预测,其中数据的最大偏离为19.61%.      

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。     

Multiscale modeling of mechanical behavior and failure mechanism of 3D angle-interlock woven aluminum composites subjected to warp/weft directional tension loading

The mechanical behavior and progressive damage mechanism of novel aluminum matrix composites reinforced with 3D angle-interlock woven carbon fibers were investigated using a multiscale modeling approach. The mechanical properties and failure of yarns were evaluated using a microscale model under different loading scenarios. On this basis, a mesoscale model was developed to analyze the tensile behavior and failure mechanism of the composites. The interfacial decohesion, matrix damage, and failure of fibers and yarns were incorporated into the microscopic and mesoscopic models. The stress–strain curves and fracture modes from simulation show good agreement with the experimental curves and fracture morphology. Local interface and matrix damage initiate first under warp directional tension. Thereafter, interfacial failure, weft yarn cracking, and matrix failure occur successively. Axial fracture of warp yarn, which displays a quasi-ductile fracture characteristic, dominates the ultimate composites failure. Under weft directional tension, interfacial failure and warp yarn rupture occur at the early and middle stages. Matrix failure and weft yarn fracture emerge simultaneously at the final stage, leading to the cata-strophic failure of composites. The weft directional strength and fracture strain are lower than the warp directional ones because of the lower weft density and the more serious brittle fracture of weft yarns.     

基于CDM的复合材料缺口强度三维数值仿真模型

层合板受载时在缺口尖端出现的沿纤维方向的基体开裂会使缺口钝化,降低缺口带来的应力集中影响。为了更好地模拟这一现象,建立基于CDM的三维有限元模型,提出一种可以实现层合板中每层网格不同排列的建模方法,使网格边缘与每层纤维方向一致;为了实现每层网格不同的排列,在层间建立内聚力接触模拟分层损伤;对纤维增强复合材料层合板[0/902/0]S和[0/90/±45]S进行开孔拉伸的渐进损伤分析。结果表明:该模型可以模拟不同材料体系和铺层参数的层合板在拉伸载荷作用下的渐进损伤过程,预测其破坏强度;通过已知的试验结果对模型进行验证,证明了该方法的正确性且预测精度较高。     

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。     

飞机螺栓双剪连接结构有限元应力分析

为了设计更加高效和安全的航空航天结构元件,对螺栓连接进行精确的应力和应变分析是相当重要的。对飞机结构中广泛使用的铝合金7075 T6螺栓连接板进行了有限元建模,采用单螺栓和双螺母配合的双搭接连接,在建立有限元模型后,模拟施加三个不同大小的预紧力并附加不同的纵向拉伸载荷。螺栓连接中各个部件之间的接触采用三维面面接触单元来模拟,数值分析中考虑了摩擦效应,此外,还模拟了螺栓和板之间的间隙。有限元计算结果显示,由于施加预紧力而在孔边缘附近产生有益的压应力,较高的预紧力可以显著降低在孔边缘处合成拉伸应力的大小,并且在经受纵向拉伸载荷时也能够显著降低接头处的应力水平。     

弹头形态对点阵金属陶瓷夹层结构侵彻效能的影响

提出了一种由金字塔型点阵金属骨架、陶瓷棒、环氧树脂胶结剂、金属面板及背板所组成的复合材料结构模型。基于有限元法,在实验验证数值方法有效性的基础上,模拟研究了该型复合结构对三类钢制弹丸(平头、球头和锥头)的抗侵彻机制。对比分析了弹靶模型各子结构的失效模式、吸能效率、弹丸的塑性变形、弹道特性、速度及加速度等变化规律。结果表明:弹头形态对复合靶板的破坏形态和吸能特性有较大影响,平头弹丸和球头弹丸对靶板主要产生冲塞破坏,达到峰值加速度的时间较短;而锥头弹丸主要表现为刺穿扩孔型破坏,达到峰值加速度的时间较长,侵彻效能最高。在弹体高速侵彻靶板的过程中,由于金属骨架的剪切扩孔和塑性变形、陶瓷棒的断裂破坏以及金属面板与背板的塑性变形,使得该型防护结构的抗侵彻能力得到了显著提高。     

缝合复合材料T型接头拉伸载荷下的有限元数值模拟

利用ABAQUS软件对拉伸载荷下的缝合T型接头进行建模与分析,采用基于内聚力模型（CZM）的黏聚接触方法来模拟筋条与蒙皮的脱粘行为,以基于细观力学的非线性弹簧模拟缝线在上下界面的增强作用。在模型基础上对缝线直径进行参数化分析,研究其对T型接头拉伸性能的影响。结果表明：随缝线直径增大,接头极限破坏载荷提高,即拉伸承载能力提高。有限元分析结果与试验值吻合较好。值得注意的是,当缝线直径增大到1 500旦尼尔时,模拟结果与试验数据存在10.4%的误差,这是因为模型未考虑缝合对层合板面内性能的影响,忽略了缝线可能造成的材料损伤。考虑到T型接头在拉伸载荷作用下的破坏模式主要是I型和Ⅱ型破坏,因此宜采用二维有限元模型进行参数化分析,计算效率高并且与试验结果吻合较好。     

基于渐进损伤有限元的复材厚板连接分析

针对复合材料厚板连接件,建立三维累积损伤有限元模型预测复合材料厚板连接件的挤压性能。对复合材料层板中的纤维失效、基体失效和分层等损伤类型进行分析模拟,预测厚板连接件的破坏模式及损伤扩展过程,并分析尺寸参数与复材厚层合板连接强度的关系。     

Research on failure criterion of composite based on unified macro- and micro-mechanical model

A new unified macro- and micro-mechanics failure analysis method for composite structures was developed in order to take the effects of composite micro structure into consideration. In this method, the macro stress distribution of composite structure was calculated by commercial finite element analysis software. According to the macro stress distribution, the damage point was searched and the micro-stress distribution was calculated by reformulated finite-volume direct averaging micromechanics (FVDAM), which was a multi-scale finite element method for composite. The micro structure failure modes were estimated with the failure strength of constituents. A unidirectional composite plate with a circular hole in the center under two kinds of loads was analyzed with the traditional macro-mechanical failure analysis method and the unified macro- and micro-mechanics failure analysis method. The results obtained by the two methods are consistent, which show this new method’s accuracy and efficiency.