G/C纬向混杂浅交弯联三维机织复合材料的低速冲击性能

为了研究纤维混杂对三维机织复合材料低速冲击性能的影响,本文基于同一种浅交弯联三维机织结构制备成型了全碳纤维(T700)和玻璃/碳纤维(E-glass/T700)纬向混杂两种不同的复合材料。以上述两种复合材料为研究对象进行低速冲击实验,试验时设定冲击能量分别为10、23和40 J。结果表明:在不超过40 J的冲击能量下,两种复合材料均未被冲破;在三种冲击能量下,混杂材料的峰值力均小于全碳材料,其吸收能量、最大位移均大于全碳材料。在10和23 J的冲击能量下,混杂材料的损伤程度小于全碳材料;但当冲击能量达到40 J时,混杂材料的损伤程度大于全碳材料。     

复合材料层合板结构冲击损伤数值模拟的损伤力学模型

针对复合材料结构低速冲击损伤问题,基于连续损伤力学提出了一种动力学冲击条件下的三维损伤数值模型。模型中区分了层内损伤（纤维拉伸与压缩失效、纤维间拉伸与压缩失效）和层间分层损伤不同的失效模式。采用三维Puck失效准则与考虑压缩抑制效应的Aymerich准则对上述两类损伤进行判定,材料失效后基于连续损伤力学中线性软化模型对材料损伤进行演化。模型中考虑了复合材料层合板结构中子层的就位效应和损伤分析中的“连锁效应”。通过对Shi的冲击试验进行数值模拟,模型预测的冲击接触载荷、分层形状和尺寸与试验结果吻合较好,证明了所提出的数值模型对复合材料层合板结构低速冲击损伤预测的有效性。     

混合机织复合材料刚度、强度及低速冲击性能试验研究

将二维机织碳布和单向预浸料碳布按照一定比例铺设成的混合机织复合材料兼具比刚度、比强度高、抗低速冲击损伤以及工艺性好等优点。试验测定不同比例的混合机织复合材料的面内刚度、强度,采用落锤法进行多个能量级别的低速冲击试验和准静态横向压缩试验,用超声波C-扫描法记录各试验件的内部损伤面积,并测量剩余压缩强度,分析这种混合机织复合材料在综合考虑刚度、强度以及低速冲击损伤容限等因素下的最佳铺层比例。     

缠绕复合材料壳体低速冲击损伤试验与仿真研究

针对缠绕复合材料壳体的低速冲击问题,采用试验和仿真相结合的方法研究了不同冲击能量下复合材料的冲击响应规律和损伤模式。基于连续介质损伤力学方法建立了考虑材料强度威布尔分布的复合材料面内损伤模型,并将模型通过用户材料子程序VUMAT嵌入ABAQUS中模拟复合材料面内损伤;同时采用cohesive单元模拟复合材料层间分层损伤。研究结果表明:在1.5k N冲击力附近缠绕复合材料产生初始损伤,初始损伤出现后,冲击力上升速率降低,并在最大冲击力附近处出现明显震荡;当冲击力达到3.5k N左右时出现纤维破坏,冲击力不再随冲击能量增加而增加。仿真结果与试验结果较为一致,表明该模型适用于研究缠绕复合材料壳体的低速冲击问题。     

复合材料球面框球皮冲击损伤形貌的数值分析

根据民用飞机复合材料球面框球皮的实际结构铺层与材料体系,建试了三维冲击损伤分析模型并采用Hashin失效准则,对球皮层合板进行数值模拟。同时,采用ASTMD7136试验标准进行低速冲击、试验。数据与计算结果吻合较好,表明该模型可用于预测球面框球皮层压板结构在低速冲击下的损伤形貌和尺寸大小     

含缺陷C/SiC平纹机织复合材料拉伸力学行为数值模拟

采用APDL语言实现ANSYS的二次开发,建立含预制缺陷的纤维束截面卵圆形多尺度单胞模型。首先计算纤维束单胞的初始模量,强度以及最大应变;随后利用扫描电镜图中的缺陷建立单胞模型,并引入周期性边界条件,预测材料的初始各向材料常数。同时利用Linde提出的逐渐损伤准则,进行单轴拉伸力学行为的数值模拟,并阐述该平纹机织复合材料单胞模型在经向拉伸载荷作用下其纤维束的损伤及演化过程。该模型计算得到的最大拉应度为0.65%,强度为256.46 MPa。结果表明,该模型给出的数值模拟结果与实验数据吻合较好,证明了模型的有效性,为该类材料的优化设计及其力学性能分析提供了一种有效方法。     

混合机织复合材料低速冲击损伤有限元分析

将二维机织碳布和单向碳布预浸料按照一定比例铺设成的混合机织复合材料兼具比刚度、比强度高、抗低速冲击损伤以及工艺性好等优点.采用基于三维非协调层合元的动力学有限元分析方法,对由二维机织缎纹碳布和单向碳布混合铺设而成的复合材料层合板进行了低速冲击有限元计算分析.针对二维机织碳布的特殊力学性质,提出了修正的分层扩展判据,建立了低速冲击损伤面积的分析方法.在不同冲击能量下,针对不同铺层结构和厚度的计算结果与试验结果皆吻合的很好.分析结果表明,由于分层破坏机理不同,加入机织铺层后能够有效降低低速冲击导致的分层损伤.     

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。     

导热-辐射耦合传热的多尺度分析和数值模型

复合材料高温传热特性的准确预测对飞行器热防护结构的设计有重要意义,相关模型也是国家数值风洞工程中多相多介质计算模型的重要组成部分。针对周期性结构复合材料的高温传热问题,利用多尺度渐进分析方法,对包含导热方程和辐射传输方程的导热-辐射耦合传热模型开展了研究。建立了表征单元尺度模型及宏观平均导热-辐射耦合传热模型,获得了材料宏观等效导热系数与表征单元模型间的关系,发现宏观等效辐射吸收和散射等系数可通过表征单元内的体积平均求取。结合有限容积方法与格子Boltzmann方法,建立了复合材料导热-辐射耦合传热多尺度数值模型。采用二维常物性材料传热过程的模拟验证了多尺度模型的有效性,结果表明所建立的多尺度模型能够对温度场给出准确高效的计算结果。该方法有助于为复合材料传热特性的预测提供数值手段。     

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。     

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。     

复合材料泡沫夹芯结构低速冲击损伤研究

随着复合材料夹芯结构在航空领域的广泛应用,对其抗冲击性能的研究变得越来越重要。本文对泡沫夹芯结构的低速冲击问题采用试验及数值分析的手段进行研究,比较了不同冲击能量下泡沫夹芯结构的冲击响应特点,并利用数值分析手段揭示了冲击损伤的破坏机理,同时计算得到了该夹芯结构的临界冲击能量,模拟结果与试验吻合较好,可为工程设计提供一定...     

弹靶作用过程中陶瓷基复合材料的表面驻留行为

为提高陶瓷基复合材料在轻质装甲结构设计中应用的可行性,研究陶瓷基复合材料在抵抗弹体撞击时的表面驻留性能,进而探索其抗弹性能,旨在丰富和完善陶瓷基复合装甲材料的抗弹机理。采用数模模拟方法对弹体撞击SiC-Al陶瓷基复合材料表面驻留过程开展了深入研究,探索了复合材料的表面驻留行为,对比分析了复合材料和陶瓷材料表面驻留过程中应力水平和损伤演化过程。结果表明:复合材料表面驻留耗能为845J,比B_4C、SiC、AD99Al_2O_3陶瓷材料分别提高约46.0%、30.2%、35.7%;完全损伤的复合材料仍具有较一般陶瓷材料更高的承载能力,延长其驻留持续时间;复合材料损伤演化形式与陶瓷材料差异较大,导致损伤耗能占总驻留耗能的比例达到23.9%,比陶瓷材料提高了2倍多。     

Experimental and numerical investigation of mechanical behavior of plain woven CFRP composites subjected to three-point bending

The mechanical behavior of plain woven Carbon Fiber-Reinforced Polymer (CFRP) composites under Three-Point Bending (TPB) is investigated via experimental and numerical approaches. Multiscale models, including microscale, mesoscale and macroscale models, have been developed to characterize the TPB strength and damages. Thereinto, Representative Volume Elements (RVEs) of the microscale and mesoscale structures are established to determine the effective properties of carbon-fiber yarn and CFRP composites, respectively. Aimed at accurately and efficiently predicting the TPB behavior, an Equivalent Cross-Ply Laminate (ECPL) cell is proposed to simplify the inherent woven architecture, and the effective properties of the subcell are computed using a local homogenization approach. The macroscale model of the TPB specimen is constructed by a topology structure of ECPL cells to predict the mechanical behavior. The TPB experiments have been performed to validate the multiscale models. Both the experimental and numerical results reveal that delamination mainly appears in the top and bottom interfaces of the CFRP laminates. And matrix cracking and delamination are identified as the significant damage modes during the TPB process. Finally, the quasi-static and dynamic behaviors of plain woven composites are discussed by comparing the results of Low-Velocity Impact (LVI) and TPB simulations.     

外物损伤对不锈钢疲劳强度的影响

基于空气炮法,针对不锈钢平板试样开展了外物损伤（FOD）模拟试验,使用三维体式显微镜观测了损伤的宏观特征,并用扫描电子显微镜观测了损伤的微观特征,模拟外物损伤具有挤压变形、材料的剪切丢失、塑性变形等宏观特征和微小裂纹、塑性变形、微小缺口、片层结构等微观特征.采用步进法对FOD试样进行了高周疲劳试验,试验结果表明FOD使试样的疲劳强度相对未损伤试样下降超过14%,并且随损伤尺寸的增大,试样的疲劳强度基本呈降低的趋势.疲劳源区多为损伤处的微小缺口或微小裂纹,说明FOD为疲劳裂纹的萌生和扩展提供了有利条件.      

航空发动机风扇叶片冰雹撞击仿真

为预估航空发动机风扇转子叶片受到冰雹撞击后的损伤情况,基于PAM-CRASH软件进行冰雹撞击风扇转子叶片仿真。采用SPH方法和带失效应变的弹塑性材料模型建立冰雹数值模型,模拟冰雹撞击铝合金平板过程,仿真结果与试验数据吻合较好。针对冰雹撞击旋转状态风扇转子叶片试验,建立3维风扇转子有限元模型,使用带失效模型的J-C本构模型定义叶片材料性能,采用该冰雹模型对试验过程进行仿真,获得的冰雹撞击过程和叶片损伤与试验结果基本相同,叶片凹陷深度误差小于10%。仿真与试验结果对比表明:风扇叶片冰雹撞击仿真方法能够预估叶片被冰雹撞击后的损伤情况,可用于叶片抗冰雹撞击设计与评估。     

研发铝合金的集成计算材料工程

用于铝合金的集成计算材料工程是将微观(10-10~10-8m)、细观(10-8~10-4m)、介观(10-4~10-2m)和宏观(10-2~10 m)等多尺度计算模拟和关键实验集成到铝合金设计开发的全过程中,通过成分-工艺-结构-性能的集成化,把铝合金的研发由传统经验式提升到以组织演化及其与性能相关性为基础的科学设计上,从而大大加快其研发速度,降低研发成本。本文详细阐述了原子尺度模拟、相图计算、相场、元胞自动机和有限元等计算模拟方法及微结构表征和性能测定的实验方法,论述了其在铝合金研发中所发挥的具体作用。基于集成计算材料工程,提出了从用户需要、设计制备和工业生产3个层面研发铝合金的具体框架。通过2个应用实例,展示了集成计算材料工程在铝合金研发中的强大功能,这也为新型铝合金及其它新材料的设计和开发提供了新模式。     

Progressive damage behaviors of woven composite laminates subjected to LVI,TAI and CAI

This paper seeks to deal with progressive damage behaviors of woven composite laminates subjected to low-velocity impact (LVI), tension-after-impact (TAI) and compression-after-impact (CAI). The LVI, TAI and CAI tests were conducted on woven carbon fibre lamina 3238A/CF3052 and woven glass fibre lamina 3238A/EW250F, and the time-dependent LVI contact force and deflection curves, static TAI and CAI load versus displacement curves were determined and discussed. A modified progressive damage model was presented for explicit dynamic LVI and implicit static TAI and CAI analysis by using basic material properties and geometrical dimensions, and progressive damage LVI, TAI and CAI behaviors of woven composite laminates were simulated, demonstrating a good correlation between simulations and experiments.     

针刺C/C复合材料拉伸强度及渐进失效数值预测

基于金相显微镜观测的针刺C/C复合材料细观结构,考虑材料内部纤维的真实分布,建立了针刺C/C复合材料单胞模型。采用Linde失效准则,考虑纤维渐进损伤对材料进行了刚度折减,通过引入周期性位移边界条件,对针刺C/C复合材料的拉伸破坏进行了有限元法（FEM）数值模拟,分析了单胞模型的渐进失效过程,并预测了材料的拉伸强度。开展了针刺C/C复合材料拉伸试验,采用扫描电子显微镜（SEM）观察了材料的断口形貌,数值预测结果与试验吻合良好。针刺C/C复合材料受拉伸载荷后发生准脆性断裂,拉伸应力-应变曲线呈双线性,0°无纬碳布发生纤维断裂和基体开裂破坏,90°无纬碳布出现横向基体劈裂,最终断裂发生在针刺纤维与面内无纬碳布交叉区域。