复合材料层合板激光烧蚀后的三维逐渐损伤分析

基于ANSYS平台,针对复合材料层合板经激光烧蚀后造成损伤,建立参数化三维逐渐损伤模型对其进行强度分析.采用宏观应力的三维Hashin失效准则,判定层合板材料的损伤模式;对层合板材料性能进行逐步退化,运用总体破坏准则判定其失效.分析过程中,综合考虑了不同损伤模式及其相互关联性.结果表明,该方法能较好预测含损伤复合材料层合板的强度及破坏模式.     

变刚度CFRP层合板在低速冲击下的分层失效分析

通过窄带曲线铺放技术制备获得变刚度复合材料层合板结构件,不仅可大大增加结构件设计优化的自由度,还可以改善其机械特性。开发了基于三维Hashin失效准则的VUMAT用户子程序,分析变刚度复合材料层合板在低速冲击工况下的渐进损伤行为。以CFRP常刚度层合板和七组不同变刚度铺层百分比的层合板为研究对象,研究变刚度碳纤维复合材料层合板在低速冲击载荷下的力学响应特性,以分层损伤面积和能量吸收为指征进行对比分析。变刚度铺层百分比为50%的层合板单层损伤面积相比常刚度层合板减少了2.57%,且层合板底层没有出现分层损伤的完全失效情况。研究结果表明,合理的变刚度铺层可以提升层合板的抗弯刚度,并使层合板在低速冲击载荷下吸收能量更少,提高了抗分层损伤性能。     

复合材料层合板的低能冲击损伤及剩余拉伸强度研究

针对复合材料层合板的冲击及冲击后的拉伸过程提出了一种全程分析方法。该方法应用三维逐渐累积损伤理论对层合板的冲击及冲击后含损伤层合板在拉伸载荷下损伤破坏的全过程进行分析,分析中没有对冲击后层合板的损伤状态做人为假设,而是把冲击后层合板的实际损伤状态直接用于剩余拉伸强度研究,从而不仅提高了最终失效载荷的预测精度,而且避免了为获得冲击后损伤状态参数所进行的大量试验,同时开发了模拟程序,该程序可以预测任意铺层角度、铺层厚度的层合板在冲击载荷及冲击后拉伸载荷下的逐渐损伤破坏过程和最终失效载荷。通过与已有文献结果进行比较,验证了方法及程序的正确性。     

复合材料层合板的可靠性分析方法

基于复合材料层合板的一阶横向剪切变形理论,提出了同时考虑层合板面内和分层破坏的可靠性分析方法。该方法考虑了层间应力对层合板分层的影响,结合Tsai-Hill理论和层合板分层判据,给出了安全余量的表达形式,并考虑了各失效模式之间的相关性。在失效分析过程中,采用蔡氏所提出的刚度退化规律进行刚阵的减缩;利用随机有限元方法对安全余量进行敏度分析,结合改进的一次二阶矩法求解可靠性指标;用改进的分枝限界法寻找主要失效路径;用PNET法计算系统失效概率。计算表明,当考虑分层失效时结构系统失效概率有所增加,这是符合工程实际情况的。因此,设计过程中考虑分层失效是必要的。     

铺层结构对复合材料层合板固有频率的影响

搭建四角简支的复合材料层合板的模态振动实验平台。使用锤击单点激励法获取层合板不同测点位处的频响函数;利用DHDAS动态信号分析系统测得不同铺层结构复合材料层合板的前三阶固有频率,及对应的振型;进一步分析铺层结构对复合材料层合板的振动特性的影响。结果表明,改变测点位置对层合板整体的固有频率影响较小;复合材料层合板的铺层结构对固有频率有很大影响;[0°/90°/±45°]s4铺层结构的层合板的抗冲击性最强、结构整体的刚度最高。     

复合材料加筋层合板结构分层扩展分析

采用基于模式混合度的分层扩展准则,研究了复合材料加筋层合板结构分层扩展力学行为,分析了铺层方式对复合材料层合板结构界面力学性能的影响。首先,由计算所得分层前缘处的应变能释放率分量计算求得模式混合度;然后,将其代入材料断裂韧性函数及分层扩展量计算公式,进而预测复合材料加筋层合板结构的分层起始及其扩展行为。并通过对规则对称正交铺层、反对称铺层与用于V-22飞行器结构中的铺层方式下的层合板分层扩展行为进行比较,验证了该方法的有效性。     

复合材料径向和轴向螺栓连接失效预测方法及失效模式分析

大型火箭舱段间的复合材料端框连接主要由径向螺栓连接和轴向螺栓连接组成,设计了不同铺层和几何尺寸的连接试验件,并通过试验获得了失效载荷和失效形式。然后,选择了3种渐进损伤方法进行了连接结构的失效预测,并将预测结果与试验结果进行比较,结果表明：采用基于细观力学的复合材料渐进损伤方法,15组径向连接试验件失效载荷计算误差最大为17.3%;4组轴向连接失效载荷计算误差最大7.4%;预测的失效形式与试验结果接近,为连接结构确定了合适的失效预测方法。采用数值分析结果揭示了复合材料单向层的主要失效模式。为复合材料端框连接的设计研究提供了可用的失效预测方法及详细的失效模式分析结果。     

[0/90]s层合板双轴载荷强度特性研究

本文提出了一个新的层合板最终失效强度准则,并在Ⅰ、Ⅳ象限应力空间对玻璃纤维增强环氧酚醛[0/90]s层合板进行了内压—轴载实验研究。实验结果表明:所提出的准则是可行的,该准则为开辟层合板唯象学强度准则的研究领域提供了一定的参考依据。     

用于航天器贮箱的复合材料层合板低速冲击损伤及其渗漏规律研究

得益于优异的力学性能和减质优势,贮箱复合材料化已成为新一代航天器的重要特征之一,而复合材料贮箱的冲击后渗漏问题须要重点关注。针对一种用于航天器贮箱的含表层机织布复合材料层合板,通过依次开展低速冲击试验、C扫描损伤检测和氦质谱渗漏检测,获取不同能量冲击后层合板的内部分层损伤和渗漏率,并对比分析了机织布分别置于冲击侧和背侧时层合板的渗漏规律。结果表明,将机织布层置于冲击背侧时,层合板的冲击渗漏门槛值显著提高,且发生渗漏时出现目视可见损伤。     

力/热环境下复合材料薄壁结构的分离动力学分析

基于显式动力学分析模拟了力/热环境下复合材料薄壁结构的分离过程,基于计及不确定性的Chang-Chang失效准则评估了复合材料结构的可靠性,进而探究了气动力载荷和温度载荷对结构分离动力学以及复合材料结构强度可靠性的影响规律。结果表明:气动力载荷及温度的升高均会加速结构的分离过程;高温会显著影响结构脱离时刻的转动角度,进而改变了结构的脱离姿态;系统可靠性随温度载荷的升高而降低。     

含有椭圆孔对称复合材料层板弯曲的应力集中

针对含有椭圆孔无限大对称复合材料层板在弯曲载荷作用下的应力集中问题，利用经典的复合材料层板理论，将对称层板弯曲归结为均匀各项异性薄板弯曲问题来求解，采用各向异性薄板弯曲理论中复势方法，以保角映射技术为工具，得到了其解析解。并详细讨论了椭圆孔或圆孔对单层板和对称层板弯曲应力集中的影响，得到了对工程应用有一定价值的结论。     

基于混杂非对称复合材料的自适应对日定向器

提出并设计了一种基于混杂非对称复合材料层合板的新型自适应对日定向器。该对日定向器采用混杂非对称复合材料层合板作为驱动元件,利用在轨光照条件的变化引起复合材料层合板温度变化,进而使其产生热变形并驱动太阳翼发生偏转。提出的自适应对日定向器结合传统的单自由度对日定向机构,能够实现太阳能帆板的双自由度对日定向。介绍了自适应对日定向器的基本原理,并结合地球静止轨道的光照条件进行了具体设计。利用能量变分原理建立了混杂非对称复合材料的热变形模型,分析其热变形特点,并利用有限元方法对定向器在地球静止轨道上的温度场特性、热变形及对日定向转动角度进行分析。有限元分析结果表明,通过合理设计,自适应对日定向器的转角能够随太阳光入射角变化呈线性变化,定向精度可达±1°。     

圆形截面钢筋混凝土梁抗剪承载力研究

对圆形截面钢筋混凝土梁斜截面承载力进行了探讨与研究,在对实验数据分析的基础上,给出建议的无腹筋简支梁与有腹筋简支梁在集中荷载作用下抗剪承载力公式以及相应的抗剪承载力截面限制条件.     

圆形截面钢筋混凝土梁抗剪承载力研究

对圆形截面钢筋混凝土梁斜截面承载力进行了探讨与研究,在对实验数据分析的基础上,给出建议的无腹筋简支梁与有腹筋简支梁在集中荷载作用下抗剪承载力公式以及相应的抗剪承载力截面限制条件.     

压剪联合载荷作用下复合材料壁板屈曲及后屈曲性能计算与优化方法研究

复合材料壁板被广泛用于航空航天结构,在外部复杂工况下壁板通常会受到面内压剪载荷的联合作用,其屈曲及后屈曲响应直接影响此类结构的极限承载能力。为此,基于改进的Koiter摄动理论,提出一种能够快速精确地开展复合材料壁板非线性屈曲分析的摄动有限元降阶方法,然后计算获得壁板的屈曲/后屈曲性能指标,即非线性屈曲载荷、后屈曲承载刚度以及承载刚度残余系数,最后将摄动降阶方法嵌套到复合材料铺层优化的分析流程中,获得压剪联合载荷下各种屈曲/后屈曲性能指标的最优铺层信息。数值算例验证了所提出方法的高效性和有效性。     

基于FEA的复合材料结构极限承载失效预测

针对复合材料层合板失效分析,基于经典层合板理论与一阶剪切变形理论,通过层合板等效刚度以及各单层板的应力-应变建立了一种并行多尺度方法,并基于此方法采用FORTRAN语言编写了子程序,通过与试验结果以及有限元分析(Finite Element Analysis, FEA)软件内嵌的复合材料失效模型进行对比,证实了并行多尺度方法的可行性,实现了对复合材料层合板在多种工况情况下的渐进损伤分析。     

航天器复合材料结构的渐进损伤分析

复合材料结构渐进损伤分析是获取复合材料结构极限承载能力、实现基于可靠性的结构定量设计、评估长寿命航天器损伤容限和耐久性的有效方法。文章介绍了复合材料渐进损伤分析的基本原理与方法、用于分层分析的内聚力模型及相应的强度判据和断裂判据,通过典型的用于表征损伤容限的开孔压缩算例,实现了复合材料层内失效和层间分层失效的渐进损伤分析,分析得到的破坏形貌和极限承载能力与试验值吻合良好。     

碳纤维复合材料贮箱内压和低温承载行为研究

碳纤维增强聚合物复合材料具有轻质高强的优异特性,是液氢液氧燃料贮箱的理想材料。然而液氢液氧燃料贮箱在服役时要承受极低温度载荷,复合材料贮箱箱体的低温结构可靠性尚未可知。开展了碳纤维/环氧复合材料缠绕贮箱结构在温度和内压载荷下的变形及损伤研究,分别进行了常温/低温抗渗漏测试,结合应变测量、声发射监测、氦质谱检漏等方法分别研究了内压以及低温工况对复合材料贮箱的应变分布及损伤泄漏状态影响机制。研究结果表明,封头与圆筒区域交界处易产生应变集中,低温载荷导致复合材料局部小幅度基体损伤及纤维/基体界面脱粘,但并未影响贮箱箱体承压性能和气密性。本研究可为未来大型航天器减质设计提供参考。