复合材料开孔层板压缩渐进损伤分析

首先,针对纤维增强复合材料开孔层板进行了压缩试验,通过微距数显设备、电镜扫描和X光扫描设备检测了加载过程中的渐进损伤和试验件最终破坏模式,观测了损伤起始和45°与90°铺层间的分层现象. 其次,将复合材料开孔层板失效分为层内失效和层间失效,基于细观损伤力学MMF3理论和界面胶层单元方法建立了开孔压缩损伤跨尺度分析模型.最后,应用该模型对开孔压缩损伤起始、损伤扩展和层板破坏模式进行了预测,获得了纤维和基体损伤起始位置、分层产生位置及扩展过程、最终的分层和压入破坏等计算结果.计算结果与试验结果获得了较好的吻合,表明该计算模型适用于分析复合材料开孔压缩渐进损伤问题.      

缎纹编织复合材料紧固件拉拔试验及数值模拟

缎纹编织复合材料紧固件中螺牙细节尺寸已达到细观尺度量级,若在数值模拟过程中对于螺牙采用统一的材料属性,则不能准确地模拟其真实失效模式。针对此问题,建立的紧固件螺牙有限元模型是由若干层简化缎纹编织复合材料细观结构代表体积单元堆叠而成,如此模型可包含必要的纤维分区和基体分区。对螺牙模型进行拉拔试验模拟,并基于各组分材料的失效判据,实现对紧固件破坏载荷的预报。完成了缎纹编织碳/碳复合材料单螺牙紧固件拉拔试验。模拟失效模式与真实失效模式吻合良好,二者破坏载荷误差为5.17%,验证了有限元模型的合理性。     

复合材料热膨胀性能的细观分析模型与预报

基于细观力学有限元方法对T300/5208,P75/934,P75/CE339,C6000/PMR 15,HMS/Borosilicate,P100/2024 Al六种复合材料的纵向和横向热膨胀系数进行了预报,并将预报结果与国内外常用的几种理论方法的预报结果以及试验值进行了对比,分析了各分析方法的预报精度.各分析方法对于复合材料的纵向热膨胀系数的预报结果与试验值均能很好吻合;对于横向热膨胀系数,各分析方法的预报结果相差较大.Rosen and Hashin(RH)方法与所建立的细观力学有限元分析模型的预报结果与试验值的吻合程度比其他理论方法要高,进而验证了细观力学有限元方法的可靠性.此外,基于细观力学有限元方法建立了各种材料体系热膨胀系数对纤维体积分数的响应关系,得出复合材料纤维/基体性能比对其热膨胀系数的影响,为航空航天结构先进复合材料的应用提供了技术基础支撑.     

复合材料低速冲击损伤分析方法

为了研究复合材料层间损伤,建立了一种新型零厚度界面单元模型,可以准确预测复合材料低速冲击与冲击后压缩过程中的分层损伤.模型包括本构关系建立、损伤准则和损伤演化引入,并在大型商用有限元软件ABAQUS用户单元子程序VUEL中实现.层内使用三维实体单元,采用三维Hashin准则作为纤维与基体损伤的判据,并在用户子程序VUSDFLD中实现.将该模型应用于国产碳纤维增强树脂基复合材料(CCF300/5428)低速冲击与冲击后压缩的模拟分析中.结果表明:此方法能够准确预测复合材料低速冲击与冲击后压缩过程中的损伤,为复合材料低速冲击损伤分析提供了一种有效的方法.     

循环湿热环境下碳纤维复合材料的界面性能

针对CCF300/5428复合材料在循环湿热环境下的吸湿-脱湿行为和层间剪切性能进行了研究,并结合扫描电镜观察了循环湿热处理的不同阶段纤维/基体界面结合状态.研究结果表明:经过反复吸湿后,水分的初始扩散速率和饱和吸湿率增加;脱湿后水对复合材料层间剪切性能的影响大部分可以消除;复合材料吸湿后室温环境下性能下降较少,但在高温高湿环境下,复合材料的性能会显著降低.     

火星进入舱配平翼机构展开冲击动力学分析

在着陆巡视器进入火星大气的过程中，配平翼机构会根据指令由收拢状态展开，并在到达指定位置后锁定，进而将进入舱配平攻角降至合理范围内，因此，其展开动力学性能对后续任务的成败至关重要。以配平翼机构功能的顺利实现为背景，研究复合材料构件的冲击动力学分析方法，建立了其有限元分析模型并基于隐式动力学算法对其展开过程进行了仿真。通过与地面试验结果对比，验证了展开动力学分析模型的正确性。在此基础上，对配平翼机构进入火星大气过程中的2种气动载荷工况下的展开过程进行了分析；基于Hashin理论对碳纤维蒙皮翼板的强度进行了校核，在2种气动载荷工况下各铺层的纤维拉伸、纤维压缩、基体拉伸及基体压缩4种失效模式所对应的失效因子均处于安全范围。可对类似机构的展开冲击问题研究提供参考。     

基于刚度下降的疲劳累积损伤模型的研究

复合材料在静态和动态载荷作用下的损伤是十分复杂的,对损伤的精确建模是关系到复合材料力学行为描述的关键问题.从应变等效性假设出发,通过分析和描述疲劳过程中刚度和应变的演化规律,提出能够描述材料疲劳损伤演化过程的、以应变定义的和在疲劳过程中真实地反映材料动态本构关系的损伤因子,建立考虑残余应变的刚度下降复合材料疲劳损伤模型.T300/KH-304是我国新近研制的高性能航空复合材料,应用此模型开展对其疲劳损伤行为的分析与研究.在岛津液压伺服试验机上,加载频率控制在4.1 Hz,对这种材料的层合板进行4个常幅应力水平的疲劳实验,建立了T300/KH-304复合材料的疲劳模型的数学表达,经验证模型优于经典的疲劳模型的S-N曲线拟合精度,最大的误差仅为2.4％,且能反应疲劳损伤的发展规律.      

复合材料单搭接胶接接头试验研究与数值模拟

针对不同搭接长度和不同被胶接件厚度的T300/QY8911层合板单搭接胶接接头进行了试验研究和数值模拟.建立了不同试验参数下的三维有限元模型,基于Hashin准则和连续介质损伤力学(CDM,Continuum Damage Mechanics)预测层合板面内损伤的起始和演化,应用黏聚区模型(CZM,Cohesive Zone Model)模拟层合板的分层损伤及胶层的失效.系统地研究了接头在不同参数下的失效模式、破坏形貌和极限载荷等的变化,模拟结果与试验吻合良好,验证了有限元分析模型的有效性.通过对接头的破坏形貌和应力分布进一步分析发现,胶接连接的失效模式和极限载荷均与胶接长度和被胶接件厚度有关;模拟接头胶接区在不同加载时刻的应力分布变化,反映了胶接连接在拉伸载荷下的破坏起始和演化过程.     

含孔隙基体缎纹编织复合材料面内压缩弹性性能预报

缎纹编织复合材料细观结构复杂,传统弹性性能预报方法较难适用。针对该问题,建立缎纹编织复合材料代表体积单元(RVE),对RVE模型面内压缩弹性模量和面内泊松比的预报方法进行了研究。分别基于能量法原理和单夹杂理论,对弯曲纤维束纵向压缩模量和含孔隙基体弹性性能进行预报,改进了传统细观力学中的混合率方法,并利用已得的组分材料性能对RVE模型有效面内压缩模量和面内泊松比实现了解析法预报。基于Python语言对ABAQUS有限元分析软件进行二次开发,建立了基体含孔隙的RVE模型,利用RVE模型在基本受力状态下的有限元方法结果实现有效面内压缩模量和面内泊松比的有限元方法预报。基于碳/碳复合材料,解析法与数值法计算结果吻合很好,实现了对缎纹编织材料面内压缩性能的有效预报。      

复合材料开孔层压板压缩长期强度预测

Accelerated testing methodology (ATM) predicts long-term strength in low temperature with short-term in high temperature, which is based on the viscoelasticity of matrix and the time-temperature superposition principle (TTSP). The strain invariant failure theory (SIFT) was modified by using micro maximum strain criteria to judge fiber tensile and compressive failure. Master curve of storage modulus of epoxy resin and the time-temperature shift factors were tested from dynamic mechanical analysis(DMA). Master curves of SIFT critical parameters were constructed by tension and compression test for unidirectional carbon fiber reinforced plastics (CFRP) under various temperatures with the time-temperature shift factors of matrix resin. Long-term compression strength of open-hole composite laminates was predicted based on SIFT/ATM combined method. The damage process of fiber and matrix was simulated by progressive damage analysis as well. Good agreement between numerical results and experiments was observed, which demonstrates the applicability of this method.     

湿热环境对CCF800/环氧挖补板拉压性能的影响

针对挖补修理后飞行器在服役期间会经历高温高湿环境,进行了湿热环境对挖补修理层合板（以下简称挖补板）拉压性能影响的研究。首先,测试了4种湿热环境下CCF800/环氧挖补板的拉伸和压缩性能;然后,建立了相应的湿热应力有限元模型,探索了不同湿热环境下挖补板内的湿热应力分布;最后,在此基础上建立了湿热环境下挖补板的拉伸和压缩力学模型,研究了湿热环境对CCF800/环氧挖补板力学性能的影响。试验结果显示,湿热环境使挖补板的承压能力降低,承拉能力提高,这与常理不符。经试验观察和机理分析,发现CCF800/环氧铺层中纤维弯曲是导致湿热环境下挖补板拉伸性能不降反升的主要原因。在考虑湿热环境时,制备CCF800纤维复合材料过程中需要格外注意纤维弯曲问题。      

碳纤维增强树脂基层板应变率相关损伤数值研究

为了研究高应变率载荷对于碳纤维增强树脂基复合材料变形破坏行为的影响,通过应变率修正式对复合材料的刚度与强度进行修正,建立了可考虑应变率效应的复合材料损伤数值模型,采用该模型对不同应变率条件下层板结构的面内破坏行为进行了模拟并与文献实验进行了对比分析。计算结果表明:本文所构建的数值模型可以有效预测树脂基层板结构在不同应变率条件下的破坏特征,并在材料刚度与强度硬化现象的预测方面有着较高精度;对于0°、90°铺层主导的试件,由于其力学性能近似为线性,数值模型在强度预测方面获得了较高精度;而对于±45°铺层主导试件,其在不同应变率条件下表现出较强的非线性损伤特性,因此模型在其强度性能预测方面存在一定误差。     

机械失效模式、原因和机理的诊断思路和主要依据

从断口、裂纹、痕迹和参数等4个方面阐述了机械失效模式、原因和机理诊断的主要依据,列出了机械使用失效的主要模式、原因和失效的主要形成条件和主要的诊断思路,并从单项分析和综合分析的角度给出了失效模式、原因和机理诊断所需要的"多维"信息系统,为分析和确认各种失效模式、原因和机理提供了主要的推理规则和基本方法;最后分析比较了各种二级疲劳失效模式和各种与应力腐蚀有关的失效模式之间的主要诊断依据和应注意的几个问题,为疑难二级失效模式的诊断问题提供了分析研究方向.      

两种增强泡沫塑料静动态力学性能的比较

通过静、动态压缩实验对两种增强聚氨酯泡沫塑料的压缩力学性能进行了研究，分析了两种材料应力－应变曲线的特点，并比较它们的应变率敏感性和动态加载时的能量吸收特性，实验结果表明：玻璃纤维束增强聚氨酯泡沫塑料具有不同于单丝玻璃纤维增强泡沫塑料的力学性能和变形破坏机制，单丝玻璃纤维增强泡沫塑料具有较好的增强效果。     

预浸料贮存时间对MT700/603复合材料力学性能的影响

以碳纤维增强环氧树脂热熔预浸料MT700/603为研究对象,开展室温贮存时间与预固化度的关联性分析,研究预浸料预固化度对复合材料成型质量和关键力学性能的影响机制,建立预浸料贮存时间-预固化度-制品性能三者之间的内在联系。结果表明:随着室温贮存时间的延长,60 d后603环氧树脂的最低黏度增加了4.6倍,玻璃化转变温度增加了17.9 ℃,预固化度为11.2%;MT700/603预浸料贮存时间小于30 d时,制备的复合材料内部质量良好,纤维分布较为均匀,孔隙率较低,树脂的预固化度在5.3%以内,孔隙率低于0.03%;复合材料更倾向依赖于树脂基体破坏的纵向压缩强度和压缩模量对孔隙率的敏感度,要高于倾向依赖于纤维增强体破坏的纵向拉伸强度和拉伸模量;预浸料在室温贮存时树脂预固化度增加,黏度增大,加压时机与树脂黏度变化不匹配是导致复合材料构件关键力学性能下降的根本原因;根据产品的力学性能指标要求,结合不同贮存时间的关键力学性能数据,可反推出预浸料的最长室温贮存时间,实现了预浸料可用性的定量化评估。