复合材料损伤破坏判据适用性的实验研究

 <正> 一、复合材料损伤力学和损伤应变能释放率（y₂）破坏判据 作者近年来采用复合材料损伤力学研究方法对复合材料层板进行了理论与实验研究,提出了损伤应变能释放率（y₂）破坏判据,简述如下。 基于J.P.Cordebois等人提出的能量等效性假设,并引入有效应力概念,可导出损伤变量和损伤应变能释放率的表达式。在一维加载条件下它们的表达式分别为     

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。     

复合材料结构分层损伤研究

对复合材料层压板、复合材料夹层板以及复合材料整体加筋层板试用解析法或有限元分析法进行分层损伤稳定性分析,并在理论分析的基础上,对某机复合材料机翼的整体壁板应用联合开发的程序进行了稳定性计算。     

SMAs复合材料层板大变形分析计算

利用ANSYS软件对形状记忆合金复合材料层板进行了建模计算分析，采用SHELL99板单元和LINK8杆单元耦合的方法，对复合材料层板进行了力学特性分析，并与试验结果进行了对比，两者吻合良好。这为复合材料层板形状控制以及设计和应用记忆合金复合材料智能结构打下了基础。     

玻璃纤维增强铝合金层板高速冲击损伤容限

为研究玻璃纤维增强铝合金（GLARE）层板高速冲击损伤容限,对单次、多次冲击载荷下GLARE层板的损伤特性进行了高速冲击试验和数值仿真研究。采用一级气体炮,在GLARE层板靶板的中心位置、边位置、角位置进行弹道冲击试验,获取弹道极限和损伤模式,然后结合数值仿真剖析动态响应特性。结果表明,弹道冲击条件下,GLARE层板主要通过塑性变形、金属层裂纹、脱胶、复合材料纤维脆断等损伤模式吸收冲击能量。边界约束效应对GLARE层板冲击损伤特性具有显著影响,主要表现在：约束效应导致不同位置冲击下GLARE层板损伤模式不同,包括成坑、金属裂纹和冲塞等特征;角位置冲击条件下,GLARE层板的弹道极限速度明显低于中心位置冲击结果;重复冲击条件下,角位置比与边位置和中心位置更容易发生穿透。     

含分层损伤复合材料层板压缩分层疲劳扩展研究

采用基于Mindlin一阶剪切理论的连续壳单元,建立了预测含分层损伤复合材料层板在压缩疲劳载荷作用下的分层扩展3D模型,分析了含穿透分层复合材料层板在压缩疲劳载荷作用下的分层扩展行为。利用累积损伤理论,对层板内出现的各种典型损伤进行相应的刚度折减,并在循环加载过程中对材料性能进行强度弱化。利用虚裂纹闭合技术(VCCT)计算分层前缘处的能量释放率,结合混合断裂判据判断分层是否扩展,进而得到压缩疲劳载荷作用下分层扩展规律。计算模型通过大型商用有限元软件和自编程序实现。通过对数值仿真结果和试验结果进行比较,验证了模型的合理性和准确性。     

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。     

复合材料加筋板冲击后损伤容限研究

研究复合材料加筋板受冲击后的损伤演化具有较高的工程应用价值。首先,以某型无人机拟应用的复合材料加筋壁板(T300/BA9913)为研究对象,对其进行低速冲击试验;在壁板中央处和肋与壁板胶结处进行冲击,其冲击能量取6.67 J/mm,测量凹坑深度和分层损伤面积。然后,应用商业软件ABAQUS,编写相应的VUMAT子程序对冲击损伤进行模拟,软件中采用适宜的材料模型、单元种类并建立不同属性的接触,把基于应变的三维Hashin准则运用于复合材料单层板的损伤失效准则中去。最后,运用基于断裂韧度的连续的刚度退化方针对材料的刚度折减。将所建立的冲击模型的模拟结果与冲击试验数据进行对比,证明了冲击模型的有效性和准确性。     

T300/BMP-316复合材料板冲击损伤研究

采用自由落体冲击设备, 对两种不同尺寸不同铺层顺序的T300/BMP-316复合材料层合板进行了详细的低速冲击损伤试验研究, 同时应用作者以前发展的复合材料层合板逐渐累积损伤分析方法对层板的冲击过程进行了模拟.结果表明, 几何尺寸对层合板的冲击损伤投影面积有较大的影响, 而铺层顺序对冲击损伤投影面积影响不大, 但对层合板的冲击损伤形状会有一定的影响.      

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。     

纤维复合材料的形变功密度断裂准则

通过单边缺口、中心裂纹和中心圆孔碳/环氧和玻璃/环氧复合材料层合板试样的试验证实,在考虑了材料的各向异性后,把各向同性材料的J积分分析结果用于确定复合材料层合板的断裂过程区特征长度d₀是适宜的。 根据碳/环氧复合材料层合板的有限元分析结果和试验观察,提出了一个新的断裂准则 σ_y（d0,0）ε_y（d0,0）=ασ_Fε_F 称为形变功密度断裂准则。这个准则已得到试验验证。使用本文方法可以得出不随试样几何形状和应力分布而变化的特征长度。     

多向铺层碳/环氧复合材料特性及声发射分析

 本文对六种多向铺层的碳纤维增强环氧复合材料的拉伸破坏性能进行了研究,并采用声发射技术监测其损伤扩展过程,分析了它们的破坏机理。 新型的高性能碳纤维增强环氧复合材料应用于宇航、机械及体育器具等,由于工作条件及受力情况是复杂的,采用多向铺层才能满足受拉、压、弯、剪、扭等不同载荷的分别组合,具体铺层设计要针对主要承力情况来确定。多向铺层复合材料的损伤破坏比单向铺层的情况复杂,更需要采用试验的手段来研究它们的力学性能和破坏机理。在非破坏性测试中声发射技术的特点在于能够配合加载装置在进行试验过程中检测并记录复合材料的破坏过程,而且不移动探头的位置即可监测材料的较大区域,因此应用愈来愈多。声发射技术是利用材料或构件受力变形或损伤过程中应变释放产生弹性波这一原理来检测材料的缺陷、退化和破坏,评定材料的性能。声发射技术可以检测复合材料的剪切破坏及拉伸屈服破坏、分层及纤维断裂、粘接强度等。 本工作对六种多向铺层碳/环氧复合材料（包括0/90、±45°、30/60和三种碳布）进行拉伸试验,确定了它们的强度、模量、最大应变率及泊松比,给出六种不同铺层的应力应变关系以及声发射信号量的关系。采用声发射技术配合显微镜观测手段分析不同铺层的碳/环氧材料的声发射表征     

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。     

基于CDM的开口复合材料层合板结构损伤问题研究

为研究含开口复合材料层合板结构在面内载荷作用下的损伤破坏问题,基于CDM基本原理,从平面应力状态下的Gibbs自由能出发,建立描述复合材料层合板结构层内断裂破坏的二维渐进损伤关系;基于ABAQUS材料用户子程序,将上述渐进损伤关系与二维Hashin失效准则相结合,开发复合材料损伤本构模型,并对含开口复合材料层合板结构在拉伸载荷作用下的破坏过程进行数值模拟;通过与文献试验数据的对比,证明该模型在平面拉伸载荷状态下可以有效预测含开口层合板结构的损伤起始与扩展过程,对层合板强度的预测误差较小。应用上述模型对三种不同开口类型层合板结构在剪切载荷作用的下损伤、破坏分析,结果表明：对于相同面积的开口,不同的开口类型会导致层合板抗剪强度产生较大的差异;而在铺层相同情况下,椭圆形开口层合板的剪切强度相对较高。     

受弯曲对称复合材料层板的层间应力分析

本文引伸了受均匀拉伸复合材料层板自由边界效应问题的准三维有限元理论,分析了受弯曲（±45）_s角交层板与正交对称层板中的应力响应。着重讨论了层板自由边附近及层间界面上的应力分布。与受均匀应变拉伸下的应力分布相比,受弯曲对称复合材料层板中的层间应力分布有许多不同的特点。本文的分析结果将有助于理解在复合载荷下复合材料层板的破坏模式与破坏过程。     

复合材料层板疲劳分层扩展研究

为了分析复合材料层板疲劳分层扩展行为,基于Abaqus有限元分析平台,建立分层扩展复合材料层板有限元分析模型。选用基于能量释放率的分层扩展判据,结合剩余强度模型弱化材料性能,引入VUMAT用户子程序实现模型疲劳损伤失效的判断及材料刚度性能的折减,模拟含分层复合材料层板在疲劳压缩载荷作用下的分层扩展行为。结果表明:分层长度随着疲劳载荷地施加不断增大,但扩展速率逐渐减小,最终分层长度达到稳定值,与实验结果吻合良好。     

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。     

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。