一种层压复合材料组合界面单元及有限元模型

 为了高效模拟计算复合材料层合板的层间损伤,提出了一种由刚性元和零厚度的内聚力单元组合而成的新型组合界面单元,并提出了以弯曲板单元作为子层单元,与上述界面单元结合构成的层合板三维有限元模型,通过界面单元刚度的连续衰减模拟分层损伤累积过程。有限厚度的八结点组合界面单元每个结点有5个自由度,能考虑子层结点平动和转动对层间损伤的作用。通过对双悬臂梁(DCB)和末端缺口弯曲(ENF)试验的计算模拟表明,新型组合界面单元和有限元模型能很好地模拟复合材料层合板的分层损伤过程,对不同的网格划分有很好的适应性。     

分层损伤对含孔复合材料层合板剩余强度影响

以国产碳纤维复合材料CCF300/QY8911含孔层合板静力拉伸试验为基础,建立了符合其损伤失效模式的有限元三维预测模型.通过引入Cohesive界面单元分析了层合板拉伸过程中的分层扩展,数值模拟的结果与试验结果吻合较好,破坏载荷预测结果与试验数据相比误差在5%以内.根据CCF300复合材料构件在制造过程和实际使用中产生的孔边分层缺陷的情况,在孔边预置分层,分析了初始分层损伤对于层合板剩余强度的影响.结果表明表面预制分层对剩余强度影响较小,但会引起自由边提前分层失效.      

含圆形分层损伤复合材料层合板在弯曲载荷作用下的屈曲行为研究

分层损伤是复合材料层合板结构最主要的损伤形式,其主要由于制造缺陷以及受到外力冲击而产生。本文对含圆形分层损伤复合材料层合板在弯曲载荷作用下的屈曲行为进行研究,首先利用RayleighRitz法对含圆形分层复合材料层合板进行二维模型建立,通过此理论模型可以计算出材料屈曲临界弯矩值以及在特定弯曲载荷下中心点的离面位移值。随后,采用三维数字图像相关方法对分层材料进行实验研究,得到了分层材料在弯曲载荷作用下的屈曲形貌以及其中心点的载荷—位移曲线。通过实验验证了理论的可行性与准确性,可用于对含圆形分层材料在弯曲载荷作用下屈曲临界弯矩以及中心点离面位移大小的初步估算。     

热压罐成型复合材料复杂结构对制造缺陷的影响规律

 飞行器复合材料种类多、结构形式复杂,制造缺陷种类、形成机制及影响因素也较为复杂。基于大量复合材料制件无损检测数据的统计结果,分析了热压罐成型工艺中常见缺陷的类型,揭示了复合材料复杂结构对制造缺陷的影响规律,初步分析了缺陷的产生机制。结果表明,分层、气孔和孔隙是热压罐成型工艺中比例较高的3类缺陷,复合材料制件结构的复杂性直接影响缺陷的出现比例,复合材料制件的几何特征和成型工艺对制造缺陷的影响规律较为明显。研究结果对制造缺陷的控制及复合材料制件结构设计具有重要的指导意义。     

纳米石墨薄片的制备、表征与应用

为了获得适宜于同聚合物进行纳米复合的纳米石墨薄片(NGS),采用微波膨化制备膨胀石墨(EG),利用超声剥离与表面修饰获得NGS,并借助SEM、XRD、FTIR等分析其微观结构。结果表明:EG由许多厚100-300 nm的石墨薄片连接而成并形成网络结构,孔隙尺寸约几十纳米到几十微米;通过对EG的超声剥离可破坏其原有网络结构并将石墨晶片进一步剥离为大量30-60 nm厚的石墨薄片;石墨微波膨化与超声剥离过程中微观形貌的变化及其表面活性基团的引入,有利于进一步借助插层法实现聚合物与石墨的纳米复合。     

含分层缺陷复合材料层合板压缩强度试验研究

复合材料层合结构在生产和使用过程中经常会出现分层损伤,为研究分层损伤对复合材料层合结构压缩强度的影响,对含预制分层缺陷的复合材料层合板进行了静强度压缩试验研究,主要研究了沿层合板厚度方向2种不同位置的分层缺陷对复合材料层合板压缩强度的影响.试验结果表明:2类试验件断裂位置均主要集中在预制分层缺陷的边缘,断裂部位呈现不同程度的分层扩展;2类试验件的压缩强度较无初始缺陷的试验件分别降低9.04％和8.60％,说明分层缺陷的位置对复合材料层合板压缩强度的影响程度略有不同,分层缺陷位于层合板厚度方向中间位置时对压缩强度影响较大.     

碳纤维/双马树脂复合材料整体成型过程分层扩展行为实验研究

针对复合材料构件热压罐成型过程中常见的分层缺陷,考察了整体成型工艺温度对分层扩展、QY8911双马树脂基体韧性及T300/QY8911层合板Ⅰ型层间断裂韧性的影响,并通过分层扩展断面形貌深入分析了复合材料整体成型工艺中分层扩展的路径和断面破坏模式,给出了复合材料整体成型工艺和结构设计的优化建议措施。结果表明,随着整体成型最高温度的升高,分层扩展程度增大,QY8911双马树脂基体的拉伸强度和拉伸模量逐渐降低,T300/QY8911层合板Ⅰ型层间断裂韧性逐渐增大;对分层扩展断面进行SEM扫描电镜分析发现分层扩展沿着层间开裂,断面内存在基体断裂和基体/纤维界面脱粘两种破坏模式,Ⅰ型层间断裂是复合材料整体成型工艺中分层扩展的典型微观特征。     

CFRP曲面铣削力及加工缺陷研究

碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced polymer,CFRP)曲面结构不断变化的工件倾角使得在加工过程中易产生分层、毛刺等缺陷。为研究工件倾角对CFRP曲面结构可加工性的影响规律,采用金刚石涂层铣刀对不同倾角下CFRP叠层平板结构进行顺铣加工试验,对不同坐标系下的铣削力和加工侧面、表面缺陷进行了研究。研究结果表明,随工件倾角的增大,水平方向上每齿所切材料平均厚度与截面积均减小,等效轴向切深逐渐增大,但是每齿去除材料体积保持不变。机床坐标系下的铣削力几乎不随工件倾角的变化而变化。而在工件坐标系下,铣削力沿工件厚度方向逐渐增大,沿工件长度方向逐渐减小。同时随着工件倾角的增大,侧面表层分层缺陷不断加重,纤维束发生弯曲,裂纹沿纤维方向逐渐扩展至表层内部,加工表面遭受破坏铺层数量也同样增加。     

层合板混合模式分层扩展能量准则评估

对文献中已出现的复合材料层合板混合模式分层扩展能量准则进行了总结。在Reeder的研究基础上,采用11种材料的22组试验数据对其中10种分层扩展准则的预测能力进行比较全面的评估分析。评估结果表明:为兼顾准则表达式的繁简程度与准则的预测精度,选用三参数B-K准则和四参数Power-Law准则相对最优。本文研究能够为复合材料分层扩展行为研究中分层扩展准则的选用提供合理的参考依据。     

基于自适应分层元的复合材料层合板低速冲击损伤分析(英文)

On the basis ofa 2D 4-node Mindlin shell element method, a novel self-adapting delamination finite element method is presented, which is developed to model the delamination damage of composite laminates. In the method, the sublaminate elements are generated automatically when the delamination damage occurs or extends. Thus, the complex process and state of delamination damage can be simulated practically with high efficiency for both analysis and modeling. Based on the self-adapting delamination method, linear dynamic finite element damage analysis is performed to simulate the low-velocity impact damage process of three types of mixed woven composite laminates. Taking the frictional force among sublaminations during delaminating and the transverse normal stress into account, the analytical results are consistent with those of the experimental data.