复合材料层合板的动态非线性分析及优化设计

分别采用经典薄板理论、一阶剪切变形理论及高阶剪切变形理论对复合材料层合板进行动态非线性分析。根据位移场导出层合板的虚应变能、虚动能及虚功,由虚位移原理得出层合板的控制方程。结合Navier三角函数解求出四边简支层合板的固有频率;将纤维铺设角、跨厚比、弹性模量比对固有频率的影响进行比较分析;基于高阶剪切变形理论,用改进的适应度函数遗传算法对复合材料层合板的固有频率进行优化设计。结果表明:同经典薄板理论和一阶剪切变形理论相比,高阶剪切变形理论更能精确地预报结构的固有频率,优化后的层合板固有频率明显提高。     

缝纫/RFI层合板单钉连接性能计算研究

本文建立了三维有限元分析模型,对缝纫层合板的单钉连接性能进行了理论分析,模拟了钉孔受挤压边缘附近一些典型的针脚位置情况．计算得到钉孔周同的平均径向应力和层间应力分布;并且应用三维点应力损伤判据,得到各种典型针脚位置情况下的缝纫层合板初始挤压破坏强度。研究结果表明,计算结果和试验结果吻合较好,证明该模型能有效地分析缝纫层合板单钉连接性能。且不同针脚位置对缝纫层合板机械连接性能确有重要的影响。     

开孔变刚度层合板压缩屈曲性能研究

针对开孔变刚度层合板,建立3种尺寸的层合板有限元模型,采用了线性屈曲、引入残余热应力的线性屈曲和引入初始缺陷的非线性屈曲的3种分析方法,研究了开孔层合板在压缩条件下的屈曲行为,并通过自动铺丝制造层合板进行试验对比,对3种方法的合理性进行了分析。结果表明,引入残余热应力的线性屈曲分析方法与试验结果最吻合,两者仅相差0.63%。基于该方法,讨论开孔层合板残余热应力分布特点和应力水平,得出了开孔层合板的应力分布云图和应力分布规律,计算出残余热应力对开孔复合材料层合的屈曲影响。结果表明,残余热应力对传统直线开孔层合板的屈曲载荷影响很小,仅提高了3.57%,但大大提高了变刚度开孔层合板的屈曲载荷,最多可达23.40%。说明纤维曲线铺放可以改变内部残余热应力的分布,提高整个开孔层合板承载压缩载荷的能力。     

用杂交元分析层合板壳热弹性

本文基于Hellinger-Reissner变分原理,导出了适用于层合板壳热弹性分析的应力杂交元模型,单元有较少的应力参数和坐标不变性。此外,为了考虑横向剪切变形的影响,本文又在Reissner-Mindlin型假设的基础上,提出了分段直线假设,即将层合板壳沿厚度方向分成若干段,每段包含有若干层,然后作若干段直线假设。这样处理既提高了精度,又不过多地增加计算工作量。数值结果表明,本单元性能是好的,分段直线假设是有效的。     

复合材料仿生扑翼各铺层的有限元分析

利用有限元法,对具有粘弹性的碳纤维复合材料设置一组铺层角度,以探究扑翼在空气动力和惯性力作用下的结构力学性能表现。在单层板的4个铺设角度(0°,90°,45°和-45°)中,-45°铺层角度可得到最小的等效应力,但对应的最大变形相对最大,45°铺层角度可得到相对最小的变形,但对应的等效应力较大,最大应力和最大变形不能统一在同一铺层角度的单层板仿生翼上。在层合板的铺层角度组合中(-45°/0°、-45°/45°、-45°/90°、0°/45°、0°/90°、45°/90°),45°/90°铺层组合可得到最小的等效应力和最小的结构变形,整体及各分层的最大正应力和剪应力区域产生于前缘梁根部,集中应力分布合理,具有较好的力学性能。最大应力和最大变形可以统一在双层层合板仿生翼上,具有比单层板更优的力学性能,这与昆虫翼的由腹、背两层高承力薄膜构成的翅膜微结构相似。本研究有助于解释昆虫翼的完美结构表现,并为扑翼设计提供借鉴。     

THEORETICAL AND EXPERIMENTAL STUDY ON THE PIEZOCERAMIC ACTUATING LAMINATE

压电陶瓷元件是目前在智能材料结构中广泛使用的一种驱动元件。建立驱动应力与控制信号之间的关系即传递驱动方程，对于分析压电陶瓷元件的驱动特性非常必要。本文以剪滞变形理论为基础，分析了压电陶瓷元件在驱动结构时的应力传递过程，建立了传递驱动模型；并以ＰＺＴ５型压电陶瓷元件驱动玻纤／环氧层合板为例对所建模型进行了实验验证。结果表明，建立的驱动模型与实际情况比较吻合。最后，根据实验结果和所建模型对影响压电陶瓷元件驱动层合板性能的一些主要参数作了分析。     

复合材料层合板疲劳寿命分析的系列单元失效模型

采用有限元方法发展了一个复合材料层合板疲劳寿命分析的系列单元失效模型,模型给出了复合材料层合板刚度退化、内部损伤和损伤累积规律,把层合板的失效过程模拟成单元刚度逐步退化、应力不断重新分布、单元损伤不断累积的动态过程。利用ANSYS软件进行了两个算例分析,分析预测结果与试验结果吻合较好。     

组合荷载作用下非完善层合板后屈曲分析的半解析法

本文采用经典层合板理论，研究横向荷载作用下面内受压非完善复合材料层合板的后屈曲问题。分析中将板在横向荷载作用下产生的小挠度弯曲变形和几何缺陷视为结构的初始挠度，给出了基于摄动技术、单向DQ离散格式和Galerkin法的半解数值分析方法，可方便地分析不同边界约束（简支、固支、弹性转动约束等）层合板的后屈曲性态。文中通过算例讨论了边界约束、荷载型式、纤维铺设方式等因素层合板后屈曲行为的影响。     

复合材料层合板低速冲击损伤的预测模型

在低速冲击载荷作用下,建立了一种适用于铺层总数较多的复合材料层合板的损伤预测模型。采用三维Puck失效准则预测层内纤维与基体的破坏,并获得基体失效时的断裂面角度。根据低速冲击下复合材料层合板的层间分层损伤机理,同时考虑面内横向正应力、厚度方向正应力、层间剪应力和相邻铺层的损伤状态等因素对界面分层的影响,发展了一种新的冲击分层失效准则。为快速有效地预测铺层总数较多的复合材料层合板的冲击损伤,通过对单元积分点处的应变进行线性插值,提出了在单个实体单元内预测多个铺层损伤的数值计算方法。模型成功预测了受冲击层合板具体的失效模式,预测的分层形状和尺寸与试验值吻合较好,并显著减少了有限元模型的规模,表明本文所发展的数值方法对预测复合材料层合板低速冲击损伤的有效性。     

压缩载荷下非对称变厚度复合材料层合板性能研究

对非对称结构形式的变厚度复合材料层合板在准静态压缩载荷下的失效机理进行了试验和数值研究。在ABAQUS/Explicit中建立全新的三维有限元模型（Finite element model, FEM）,其中Hashin准则用于复合材料层合板渐进失效分析,内聚力建模用于模拟分层的萌生和扩展。根据试验得到的应变数据分析,不连续的中性轴使层合板中产生弯矩,这些弯矩与轴向压缩载荷相互耦合,共同作用在层合板上。有限元结果表明,在薄段和变厚度段的交界处存在明显的应力集中,且薄段的应力大于厚段的应力。在交界处,发生了分层以及纤维和基体的压缩损伤,这与试验的结果一致。FEM预测的极限荷载比试验测得的平均极限荷载小10.7%,证明了模型的可行性和合理性。     

复合材料层合板的非同步固化翘曲变形分析

复合材料层合板在实际固化过程中因板内温度梯度的存在,各铺层内树脂的固化反应并非同步进行。这种非同步过程导致层合板内固化后残余应务的分布不同于经典分析方法的计算结果,使按对称铺层设计的层合板亦存在固化后翘变形。针对实际固化过程的非同步特征,文中给出一种基于弹性子叠层块的非同步固化过程描述模型,用此模型对非同步固化过程引起的对称层合板翘曲变形进行计算机模拟,分析树脂固化收缩率,固化过程中板内温度梯度,     

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。     

矩形橡胶复合材料层合板的大变形研究

本文应用Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ假设和ＶｏｎＫａｒｍａｎ理论对正交各向异性的矩形橡胶复合材料层合板进行了几何非线性分析。与线性结果相比,大变形理论所得结果更具准确性。     

对E.M.Wu最佳应力比方法的推广和改进

本文将E.M.Wu的最佳应力比方法推广运用于层合板的极限强度准则研究,并提出了最佳应力比B值的简易确定式,这样克服了Wu的方法中由试验确定所带来的误差,具有明显的实际意义。作者所作的试验研究表明,按最佳应力比B=(F_(11)/F_(22))~(1/2)进行双轴加载破坏试验确定相互作用系数,以此来研究层合板张量强度准则,和实际符合较好。     

复合材料层合板结构的广义强度准则

在试验研究的基础上,将复合材料层舍板看作一个"宏观各向异性板",提出了一种基于试验的复合材料层合板结构广义强度准则的二次完备表达式,并分析了表达式中各参数的试验求解方法.对3种典型铺层的层合板进行纵向拉伸、纵向压缩、横向拉伸、横向压缩、面内剪切等简单裁荷以及双向拉伸、拉剪组合(纵向、横向)等组合栽荷试验.给出了不同铺层形式下广义强度准则表达式中各项系数值.采用该强度准则预测复杂应力状态下的破坏应力与试验值吻合较好.     

变刚度复合材料层合板研究进展

变刚度复合材料层合板由纤维曲线铺放而成,可以实现刚度分布的变化设计,与传统固定铺层角的复合材料层合板相比,变刚度复合材料层合板在减少重量和成本的同时,也提高了结构性能。随着铺放设备的发展,目前已经能够利用自动铺放技术实现纤维的曲线铺放。同时,为提高复合材料构件的结构性能和满足不同的工程实际需求,铺层设计方法也从单一角度的直线铺层逐渐向变角度曲线铺层发展。本文首先介绍了变刚度复合材料层合板设计制造方法与有限元建模,接着在刚度分布、屈曲特性、失效行为等方面阐述了变刚度复合材料层合板力学性能的研究进展,然后结合南京航空航天大学复合材料工程自动化技术研究中心在变刚度复合材料层合板振动特性方面的研究,对变刚度复合材料层合板振动特性进行了分析和概括,最后对变刚度复合材料层合板未来的研究趋势进行了论述与展望。     

复合材料层合板冲击后剩余强度的工程估算方法和有限元模拟分析

为研究复合材料层合板冲击后剩余强度(CAI)的计算,本文给出了两种方法:工程估算和有限元预测.工程估算是将受冲击损伤的复合材料层合板简化为正交各向异性带孔板,按照Nuismer-Whitney平均应力准则,计算正交各向异性带圆孔板的破坏强度.作为层合板冲击后剩余强度的估算值.有限元方法则是采用Hashin失效准则和Tan的刚度降准则,在ABAQUS软件中自编UMAT材料损伤子程序,进行带孔层合板的损伤强度预估分析.结果表明,工程估算方法和有限元方法的计算结果均与试验结果相差不大,两种方法均可作为工程中估算剩余强度的有效方法.     

含孔层合板剩余强度估算的应力场强法工程简化模型

开孔的存在会显著地降低复合材料结构的强度。基于应力场强法的思想,提出了一个预测含圆孔复合材料层合板剩余强度的工程简化模型。采用大量试验数据,对本文提出的应力场强法模型与其他典型的特征距离法模型进行了评估分析。结果表明,应力场强法和平均应力准则法预测能力要优于点应力准则法和损伤区域准则法,应力场强法预测值与试验吻合程度略优于平均应力准则法。     

低速冲击下复合材料层合板损伤试验与模拟

对复合材料层合板进行四种不同能量的低速冲击试验,测量了不同冲击能量下的凹坑深度,并利用超声C扫描获得了层合板分层形状和面积。依照试验条件,建立复合材料层合板低速冲击三维有限元模型,模型中分别采用hashin失效准则和界面单元模拟层内失效和层间损伤,结合试验与模拟结果,讨论了复合材料层合板在低速冲击下的损伤特征,以及冲击过程中层合板内部损伤的发生及演化规律。     

压电自适应层合板的有限元法分析

如何把压电材料作为复合材料层析的铺层之一，层合板就变成所谓的压电自适应层合板，它除了具有承载能力外，还具有检测，动作等功能。本文用有限元法对压电自适应层合板进行了分析，压电分析的驱动效应被等效为力不载荷。