含缺陷复合材料层压板的压缩破坏机理

 本文综述了含缺陷(包括孔及冲击损伤)复合材料层压板在压缩载荷作用下的破坏机理及破坏模式,特别是对层压板构成最大威胁的低能量冲击损伤机理及压缩破坏模式作了比较深入的论述,总结出了四种破坏模式,并从分层断裂力学的观点出发给出了解决含低能量冲击损伤层压板的压缩剩余强度估算的途径。     

复合材料层压板抗冲击行为及表征方法的实验研究

对14种复合材料体系约800个试样进行了冲击阻抗和含损伤层压板压缩强度试验研究,研究发现对于同一种复合材料层压板的冲击能量．凹坑深度曲线和凹坑深度．压缩破坏应变曲线均存在拐点,在出现拐点后内部的分层损伤叠加面积基本上不再增加,压缩剩余强度基本上不再降低,表面冲击部位开始出现纤维断裂。研究表明采用传统CAI来表征损伤容限性能的方法可能得到与实际结构损伤容限特性相反的结论,因此,提出了利用拐点附近特性来表征复合材料层压板的抗冲击行为（包括损伤阻抗和损伤容限）的建议,即分别采用QSI方法得到的准各向同性层压板的最大接触力Fmux和压缩破坏强度（应变）的门槛值CAIT来表征复合材料层压板的损伤阻抗和损伤容限行为。     

含孔平面编织混杂铺层层合板压缩性能

对含孔平面编织混杂铺层复合材料层合板的压缩性能进行试验研究,考察铺层比例和铺层顺序对其压缩破坏和压缩强度的影响, 然后利用点应力判据和平均应力判据进行层合板剩余压缩强度的估算.结果表明0°铺层比例的增加,提高了层合板的剩余压缩强度;(±45) 编织铺层比例在20%～25%之间有助于提高层合板的剩余压缩强度;点应力判据和平均应力判据适用于这种混杂铺层层合板的剩余压缩强度的估算.     

含低速冲击损伤层合板的压缩破坏研究

层合板低速冲击后的压缩破坏研究对于复合材料结构设计具有重要意义.按照ASTM D 7136、D 7137试验标准对CCF300/5228层合板进行低速冲击和压缩试验;基于累积损伤理论,以低速冲击数值仿真得到的损伤作为初始损伤,结合应变失效准则和材料性能退化方法,建立含低速冲击损伤层合板的压缩破坏分析模型;使用该模型研究CCF300/5228层合板的损伤演化过程和剩余压缩强度.结果表明：该模型能够较好地解释试验过程中的损伤现象,预测含冲击损伤层合板的剩余压缩强度;损伤扩展和破坏模式与试验结果一致性好.     

含冲击损伤复合材料加筋层板压缩剩余强度

将复合材料加筋层板受低速冲击后的损伤区域描述为一个椭圆形弹性核,材料在核区的弹性模量下降由冲击表面的凹坑深度确定。利用含任意椭圆核各向异性板杂交应力有限元来模拟含损伤区域,杆单元来模拟筋条,钉单元模拟铆钉（胶层）和常规8节点等参单元模拟其余无损区域,建立起含低速冲击损伤复合材料加筋层板的力学响应分析方法。利用基于特征曲线概念的点应力判据、最大正应力判据和最大剪应力判据分别预测蒙皮的破坏、筋条的破坏和铆钉（胶层）的破坏,从而预测加筋层板在压缩载荷下的剩余强度,获得了与试验相吻合的结果。最后讨论了损伤尺寸、损伤形态、铺层比例等参数对加筋层板剩余强度的影响。     

复合材料层合板低速冲击后的弯曲试验研究

对冲击后的5224/CF3052平面织物复合材料层合板进行了四点弯曲试验.分析了层合板在不同冲击能量下的损伤阻抗,包括:凹坑深度、损伤宽度和损伤面积;探讨了层合板在冲击和冲击后弯曲试验过程中的损伤过程、特征和机理;研究了凹坑深度对冲击后层合板弯曲性能的影响规律.结果表明:冲击试验时的冲击能量和损伤宽度,损伤面积无必然联系;层合板的弯曲性能主要受材料的拉伸性能控制;弯曲破坏时,层合板侧面的分层主要集中在受拉面一侧;当对受弯矩作用的复合材料结构进行强度设计时,有必要考虑冲击损伤导致的弯曲剩余强度降低;和冲击后压缩试验结果类似,凹坑深度与冲击后弯曲剩余强度,弯曲剩余模量的关系曲线存在拐点现象.     

复合材料层压板压缩剩余强度分析

为了对复合材料含孔层压板的压缩剩余强度进行快速、精确地评估,采用了有限元渐进损伤剩余强度分析方法。使用Tsai-Wu准则作为强度判据,使用Abaqus用户子程序USDFLD对破坏的单元进行刚度折减。单元的刚度折减采用材料性能退化的方法实现。对复合材料含孔层压板进行有限元渐进损伤分析,得到了含孔层压板的破坏过程、破坏载荷和剩余强度,以及不同角度铺层的主要破坏类型。通过对复合材料含孔层压板压缩剩余强度的有限元分析数据与试验数据对比研究发现,使用Abaqus用户子程序USDFLD的有限元渐进损伤剩余强度分析方法得到的分析结果与试验结果非常接近。试验数据和有限元分析数据验证了Abaqus用户子程序USDFLD和刚度折减方法的正确性以及渐进损伤剩余强度分析结果的精确性。     

基于多模式超声成像的CFRP冲击损伤无损表征与冲击后压缩强度预测

为实现含冲击损伤复合材料层板损伤特性和剩余强度的定量无损表征，提出了一种基于多模式超声成像的CFRP层板冲击损伤表征与冲击后压缩强度预测方法。首先，基于相控阵超声多模式成像技术获得了不同冲击载荷下AC631/CCF800H双马来酰亚胺树脂基复合材料层板分层损伤的位置、尺寸和分布信息，随后，以层析C扫描图像为基础，引入等效开孔体积对其冲击后压缩强度进行了预测。结果表明：相控阵超声B扫描、声程C扫描和层析C扫描等多种成像模式相结合，能够有效描述层板内部分层损伤的形貌、尺寸及三维空间分布特征；与凹坑深度拟合和最大开孔体积拟合等传统方法相比，基于层析C扫描图像的等效开孔体积与CFRP层板的冲击后压缩强度相关性更大，预测结果也更为精确。相关研究成果可为复合材料冲击损伤过程精细化分析和材料力学性能定量无损表征提供一定的借鉴和参考。     

含分层损伤复合材料层合板压缩剩余强度计算

本文针对含分层损伤复合材料层合板,基于三维复合材料累积损伤分析方法,应用了非线性有限元技术,考虑了子层屈曲对层合板剩余强度的影响,提出了一种含初始分层损伤的复合材料层合板压缩剩余强度计算方法。在ANSYS软件平台上利用APDL语言编写相应的计算程序,对五块含不同初始分层损伤的复合材料层合板进行了压缩剩余强度计算和结果分析,计算结果与试验结果相比较,吻合良好。     

CCF300/BA9916-2复合材料抗低能量撞击的性能研究

试验研究了新型复合材料CCF300/BA9916-2复合材料层合板,3种不同铺层的低速冲击后压缩载荷作用下的损伤特征。结果表明,不同铺层参数对层合板冲击损伤投影图形的长轴方向有一定的影响,但对冲击损伤投影面积大小几乎没有影响,层合板的剩余压缩强度、冲击损伤投影面积、凹坑深度三者之间没有直接关系。0°铺层含量对弹性模量、破坏应变和极限强度影响显著,随着0°铺层含量增加,弹性模量与极限强度变大,而破坏应变减小。随着冲击能量的增加,剩余强度指数型下降;在低速冲击下,冲击能量不影响层合板的弹性模量。     

飞机/外挂物组合体绕流的数值计算

采用嵌合体埋入方法计算带外挂翼-身组合体复杂外形的流动,将飞机/外挂物外形的流动区域分为机翼-机身和外挂物两个子区域,在机翼-机身子域上求解欧拉方程,在外挂物子域上求解全速势方程,通过两个流场的耦合迭代计算全流场的解。对C-5A飞机及某战斗机的计算表明,数值模拟与实验吻合。实现了不同子域流场使用不同方程的计算方法。     

轮盘低周疲劳寿命可靠性分析新方法

 从MansonCoffin公式出发, 建立了新的低周疲劳寿命失效临界函数及其对随机变量的导数公式, 并结合概率有限元法求得轮盘低周疲劳寿命的可靠度, 从而解决了采用Landgraf寿命公式的不足。结果表明, 本文所提出的新方法在发动机轮盘应变水平范围更趋合理, 且结果偏安全。     

考虑冲击缺陷的钛合金板的疲劳寿命预估

基于连续损伤力学理论,研究了含冲击凹坑缺陷的Ti-1023钛合金板的疲劳损伤问题。通过分析冲击损伤与疲劳损伤的共同作用以及应力场与损伤场的耦合作用,对含冲击凹坑的钛合金板的疲劳寿命进行了预估。首先,基于连续介质运动学理论,采用非线性动力学有限元分析软件进行冲击损伤的模拟,得到冲击凹坑处的残余应力场与塑性应变场。其次,根据塑性损伤方程,计算冲击凹坑局部的初始损伤场,并将其作为后续疲劳计算的初始条件。然后,采用Chaudonneret的多轴疲劳损伤力学模型建立损伤力学-有限元数值解法,以进行损伤演化过程的数值计算。最后,综合考虑残余应力场、塑性初始损伤和疲劳损伤的共同作用,对含冲击凹坑的钛合金板进行了疲劳寿命预估,并进行了相应的疲劳验证试验。结果表明,预估结果与试验结果相一致。所做研究为工程中采用损伤力学方法来预估含冲击损伤的结构的疲劳寿命提供了一种可行的方法。     

大后掠翼大迎角定常与非定常俯仰气动特性及其控制

 对装有“前端襟翼”和“前缘襟翼”的74°后掠三角翼, 在迎角0°～ 90°范围的定常和非定常 (俯仰振动, f = 0. 4, 0. 8, 1. 2Hz) 的空气动力特性以及襟翼的控制作用作了实验研究。定常流的实 验结果与解N 2S 方程的计算结果作了比较。非定常俯仰振动使气动特性的变化出现迟滞现象, 但 仍能保持襟翼对定常流控制所具有的优越性。不装襟翼的三角翼的部分校测结果与文献中相应数 据一致, 表明实验结果可信。     

单/双轴预拉载荷对碳纤维复合材料高速冲击性能的影响研究

针对发动机工作时受预载荷的叶片受到外物冲击的情况,设计一种面内单轴及双轴预加载装置,开展单轴与双轴不同大小预拉载荷下碳纤维/环氧树脂复合材料（T700/TDE-86）的高速冲击试验,探究预拉载荷对复合材料抗冲击性能的影响,并结合超声C扫描分析预拉载荷对损伤面积的影响。结果表明：面内初始载荷对复合材料层合板抗冲击性能和分层损伤面积有显著影响;预拉载荷会提高靶板的抗弯刚度,减少靶板吸收的能量,减小弹道极限,且在双轴预拉情况下更明显;弹体击穿靶板后分层损伤面积几乎不变,而预拉载荷会减小分层损伤面积,且在双轴预拉情况下更明显。     

基于热力学的HTPB/AP复合底排药损伤本构模型及损伤差异分析

为研究HTPB/AP复合底排药（CBBG）单轴拉伸力学性能,进行了准静态（233~301 K,8.3×10^-5~8.3×10^-1 s^-1）和冲击（233~323 K,1 200~8 000 s^-1）加载实验。实验结果表明,各工况下的真应力应变曲线均有明显的屈服点,初始模量、屈服应力及后屈服阶段形态均呈现显著的温度和应变率相关性。在不可逆热力学框架内,推导了热力学力表达式和内变量演化法则,结合初始模量和屈服应力模型,建立了黏弹-黏塑-损伤本构模型。根据HTPB/AP CBBG宽泛温度和应变率实验数据,利用一维形式的本构模型进行了参数辨识和模型验证。结果表明,该模型能较准确描述黏弹性阶段和后屈服阶段。不同工况下的损伤演化律表明,冲击加载和低温均有利于损伤扩展。     

基于非线性渐进损伤模型的复合材料波纹梁耐撞性能研究

基于连续介质损伤力学,提出了一种包括层内和层间失效的非线性渐进损伤模型来预测复合材料波纹梁在轴向冲击下的失效行为。其中,层内损伤采用最大应力准则,并结合指数型损伤演化法则和刚度折减方法预测失效后的材料参数。层间损伤模型则采用了二次名义应力准则、基于混合模式能量的指数型损伤演化法则和黏性刚度折减方法建立。基于该模型,对典型的波纹梁结构参数和触发等对耐撞性的影响进行了研究。结果表明数值模拟结果与试验结果基本吻合,模型能够准确地模拟复合材料波纹梁在冲击过程中出现的分层、纤维和基体破坏等失效模式。波纹梁在破坏过程中吸收的能量、比吸能和载荷峰值随层数不断递增,降低高度和减小触发结构的截面面积均会降低载荷峰值。     

复合材料冲击损伤数值仿真模型评估

本文对低速冲击下复合材料结构损伤的数值仿真模型进行了分类和评估。低速冲击模型由冲击过程模型和材料损伤演化模型两类子模型组合而成,列出了每类模型的关键要素及其处理方法,对常用的组合进行了整理与评述,并列出了文献中出现频率较高的6种仿真模型。完成了6种模型的两个算例的数值评估,评估结果表明：对于正交层合板算例6个模型均可较准确地预测损伤形状和面积;对于角铺设层合板算例,采用Puck准则、考虑剪切非线性、基于能量释放率的模型得到的分层损伤形貌更接近于试验结果。     

层间混杂层合板弹道冲击损伤对比研究

降低树脂基碳纤维层合板的弹道冲击损伤范围对降低飞行器的易损性有重要意义。分别对表面铺覆玻璃纤维和芳纶纤维构成层间混杂的复合材料层合板进行气炮冲击试验,运用超声无损检测方法测量层合板的弹道冲击损伤范围,并进行对比研究。结果表明:与非混杂层合板相比,给碳纤维层合板表面铺覆玻璃纤维或芳纶纤维均可减小弹道冲击穿透性损伤的范围,混杂玻璃纤维效果更好,但混杂界面均容易发生大范围分层损伤,应避免将玻璃纤维等韧性铺层铺覆在冲击背面。