GLARE层板低速冲击的实验与模拟

研究玻璃纤维增强铝合金层合板(glass fiber reinforced aluminum laminates,GLARE)在落锤低速冲击下的材料行为,建立ABAQUS有限元模型进行模拟并对其进行实验验证。针对纤维金属基体材料的特点,采用连续损伤模型(continuous damage model,CDM)分别给予落锤6.22 J、12.38 J和14.46 J的冲击能量,在ABAQUS中对模型设置相应的边界条件和载荷,得出落锤下落方向的速率-时间曲线和能量损耗曲线图。考虑金属层与复材层间黏结层的作用,采用凝聚层(cohesive)将金属层和复合材料层粘接。在仿真中观察层间的纤维和基体拉伸和压缩损伤状态及破坏情况,并与实验得出结果进行对比。结果显示:有限元仿真可以准确模拟落锤冲击之后GLARE板背面的裂纹和鼓包的实效情况以及基体和纤维的损伤情况,很好地预测复合材料内部的损伤情况。     

高速流场中变刚度复合材料层合板颤振分析

变刚度复合材料层合板在高速流场中的颤振行为是设计中需要考虑的问题。本文研究了高速流场中的曲线纤维变刚度层合复合材料壁板非线性颤振响应,分析了边界条件和纤维方向对颤振特性的影响。利用von-Karman大变形应变-位移关系,采用气动力活塞理论,根据虚功原理和有限元法建立变刚度复合材料壁板颤振的气动弹性力学模型,采用Newmark法对壁板的颤振方程求解。给出了不同边界条件和纤维方向条件下层合复合材料壁板的颤振特性。计算结果表明：随着纤维在板中心处或在边界±a/2处与x方向夹角（T₀或T₁）的增大,颤振临界动压减小;相同动压下,随着T₀或T₁的增大,极限环振幅增大。研究表明采用曲线纤维进一步提高了复合材料层合板的可设计性,通过调整曲线纤维路径可以改变复合材料壁板的颤振特性。     

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。     

复合材料层压板热屈曲优化设计的自适应免疫遗传算法

复合材料层压壁板的热屈曲优化问题是高速飞行器结构设计的重点考虑内容。通过对免疫遗传算法引入自适应交叉和变异,构造了一种自适应免疫遗传算法(AIGA),并将该算法应用于考虑强度约束的层压板热屈曲铺层顺序优化设计。并将算法的优化结果与简单遗传算法(SGA)、免疫遗传算法(IGA)的优化结果进行了比较,结果表明该算法收敛速度快,优化解的质量最好,并有效的克服了SGA易于早熟收敛,IGA收敛缓慢的缺点。同时研究了抗体调节系数对AIGA算法性能的影响。     

Kevlar缝线捻度对缝合复合材料力学性能的影响

缝合技术作为整体成型低成本制造技术已在航空领域得到广泛应用。缝合过程中使用的缝线需要加捻提高使用性能。缝线捻度对缝线自身的性能和缝合织物增强复合材料的力学性能均产生影响。本文以缝合中应用最多的Kevlar缝线为研究对象,通过实验研究不同捻度Kevlar缝线的渗透率和断裂强度, 同时研究不同捻度缝线在链式和锁式两种不同缝合方式中对缝合复合材料拉伸性能、弯曲性能和层间剪切性能的影响。通过实验结果来确定缝合中使用的Kevlar缝线的最佳捻度。     

三维机织复合材料拉伸损伤

采用三维实体有限元方法,结合周期性边界条件,研究了三维机织复合材料在经向拉伸和纬向拉伸载荷作用下损伤的起始、扩展直至最终破坏的全过程。分析中抛弃了以往损伤研究中采用的单元消失技术,对破坏的基体单元和纤维束单元均按方向进行刚度折减。制作三维机织拉伸试件并进行了相应的试验,计算结果和试验结果吻合良好,证明了该研究方法的正确性。     

树脂基三维机织复合材料结构与力学性能的关系研究

通过拉伸、弯曲、压缩等实验,评价了4种不同结构的三维机织角联锁织物增强的碳/树脂基复合材料结构与力学性能的关系.结果表明:对于纤维体积含量相近的4种不同结构的3D机织复合材料而言,它们之间的拉伸、弯曲、压缩性能差异很大,在2倍左右;衬经纱和衬纬纱可以显著改善力学性能;纤维与树脂之间的界面破坏-脱粘是3D机织复合材料最先发生失效的形式;带衬经衬纬的No.1结构复合材料的综合力学性能最佳.可以推断,改进界面结合力能大大提高3D机织复合材料的力学性能.     

层合板准静态压痕损伤分析

对复合材料层合板进行了横向静态压痕试验,得到了载荷-位移曲线.依据曲线上的位移值,采用九节点壳单元、三维Tsai-Wu失效判和损伤层刚度折减方法,对准静态压痕损伤进行了计算,并与超声C扫描压痕损伤检测图像做了比较.结果表明,损伤仿真与实际损伤检测图一致性好.     

层合复合材料z-pinning增强技术的力学进展

z-pinning技术是自20世纪90年代中期发展起来的一种增强层合复合材料层间韧性的新技术。此项技术通过在层合板内嵌入体分比小于5%的z-pin,能使层合板的I型层间断裂韧性提高十几倍,减少50%由低能量冲击所产生的层间分层,并且只造成层合板面内拉压强度的少量退化或不退化。同时,z-pinning技术较之其他层间增强技术,如编织、纺织和缝合技术等,又具有易于加工,且便于控制工艺质量等优点。因此,这一技术在近年来逐渐受到重视,并在一些航空、航天复合材料结构中得到了应用。简要介绍了z-pinning技术的工艺特点,重点综述这一领域细观力学模型与实验测试等力学分析工作的最新进展,并对准确评估z-pin力学行为的研究工作进行了展望。     

2.5维机织结构复合材料的弹性性能预测

基于经纱矩形截面及纬纱双凸透镜截面假设,重点考虑了该结构表层经纱与内部经纱密度的不同及相同机织结构合成不同厚度和纤维束截面的情况,建立了2.5维机织复合材料的弹性性能预测模型.同时,试验测定了6种结构62个试件的弹性模量.数值预测与试验结果对比表明:研究建立的弹性性能预测模型可以较好地反映2.5维机织复合材料的内部结构;在2.5维机织复合材料弹性模量预测中,表层与内部经纱的差异不可忽略.