动荷载作用下含损伤复合材料层合板承载能力

研究了含分层损伤层合板的动力响应和承载能力。基于层合板的一阶剪切理论,采用分项等参插值方法推导了复合材料层合板刚度阵、质量阵列式,在瑞利阻尼的基础上构造了相应的阻尼阵列式;建立了用于含分层损伤复合材料层合板动力分析的分层模型和虚拟界面联接单元,以防止低阶模态中在分层处出现的上、下子板不合理的脱离和嵌入现象;同时又采用Tsai提出的0.44刚度退化准则和动力分析的Newmark法,对含分层损伤复合材料层合板结构进行了在动荷载作用下的破坏和承载能力分析;通过典型算例,分别讨论了外载频率,分层位置,以及刚度退化对含损伤复合材料动力响应特征和承载能力的影响。本文中提出的方法和得到的结论对复合材料工程设计具有参考价值。      

基体损伤对分层复合材料加筋板动力特性的影响研究

基于Mindlin假定的复合材料层合板单元和层合梁单元,推导了复合材料加筋板的刚度阵和质量阵;采用Adams应变能法与Rayleigh阻尼模型相结合的方法,构造了相应的阻尼阵列式;建立了分层损伤特征的三板模型和表征基体微裂纹损伤的基体损伤模型;并推导了一种基于Hertz型非线性接触法则的虚拟联接单元模型,以避免在振动分析过程中在低阶模态中分层处出现的上、下子板间不合理的嵌入现象;在上述模型和理论基础上,采用精细积分法求解含损伤结构的动力响应。对典型数例进行参数讨论,表明在动载荷作用下,嵌入分层损伤以及在振动过程中诱发的基体微裂纹损伤的演化将明显地影响加筋层合板的动力特性。     

简谐激励下复合材料加筋板的基体微裂纹损伤演化

研究了在简谐激励作用下复合材料加筋板基体微裂纹损伤的演化行为及其对加筋板动力特性的影响。基于平均微裂纹密度和断裂力学方法, 建立了复合材料加筋板基体微裂纹演化的刚度退化准则。由于该准则考虑了载荷作用周期数的影响, 从而能够更合理地分析周期性动载荷作用下基体微裂纹损伤演化规律。采用Mindlin一阶剪切理论和复合材料模态阻尼模型, 建立了复合材料加筋板动力分析的有限元方法, 研究了在简谐激励作用下, 含分层损伤复合材料加筋板振动过程中诱发的基体微裂纹损伤的演化、 刚度退化, 频率折减和动力响应。      

频率相关自由阻尼层复合材料加筋板动力分析

采用子空间迭代法和精细积分对敷设粘弹性阻尼层的含损伤复合材料加筋板结构进行了频率和动力响应分析。分析中对层合板和层合梁采用了Adams应变能法与Raleigh阻尼模型相结合的阻尼矩阵构造方法;对表面粘弹性阻尼材料则考虑了材料性质和耗散系数对激振频率与温度的依赖性,建立了频率相关粘弹性材料阻尼矩阵的计算方法。通过有限元分析,分别研究了敷设自由阻尼层无损伤和含分层损伤复合材料加筋板的自振频率和模态特征,并根据幅频曲线讨论了阻尼材料模量、耗散系数和阻尼层厚度等因素对结构响应的影响,提出的计算方法对通过合理选择阻尼层材料与几何参数来有效地控制加筋板结构的振动特性,具有一定的参考价值。     

压缩载荷下复合材料整体加筋板渐进损伤非线性数值分析

建立了考虑脱粘的复合材料整体加筋板渐进损伤有限元分析模型。该模型采用界面单元模拟筋条与壁板之间的连接界面, 连接界面和复合材料层板分别采用Quads准则和Hashin准则作为失效判据, 基于ABAQUS软件, 建立了含连续损伤状态变量的材料刚度退化方案。基于该模型, 采用非线性有限元方法研究了压缩载荷下复合材料整体加筋壁板在考虑初始几何缺陷时的破坏过程, 分析了结构相应失效模式的细观损伤机制; 详细讨论了轴向刚度比对结构承载能力及破坏模式的影响。结果表明: 考虑脱粘损伤的有限元模型能有效模拟加筋板的破坏过程; 在加筋板铺层设计合理的情况下, 增加筋条与壁板刚度比能有效提高加筋板截面单位面积的承载能力。      

含分层损伤复合材料层合板非线性动力稳定性

采用Reddy 的板高阶剪切变形简化理论研究了含分层损伤复合材料层合板的非线性动力稳定性问题。建立了分层模型, 推导了考虑几何非线性和阻尼效应的Methieu 方程, 给出了该方程的解析解表达式; 研究了参数振动解的稳定性; 然后通过典型数例讨论了分层损伤对层合板固有频率、屈曲临界力以及动力稳定区域的影响; 研究了保守与非保守体系的外载荷的激励频率对层合板第一参数振动的振幅的影响, 以及线性、非线性阻尼对非保守体系的最大牵引深度的影响。由典型算例讨论可知, 随着复合材料层合板分层损伤的扩大, 其动力稳定性能逐渐减弱, 特别是损伤接近层合板的中面时, 分层损伤对其动力稳定性能的影响最大。      

冲击后含损伤复合材料格栅加筋板的后屈曲

采用数值分析方法研究了冲击后含损伤的复合材料格栅加筋板的后屈曲特性。基于Mindlin 一阶剪切理论和Von Karman 大挠度理论, 建立了冲击后蒙皮内含分层损伤复合材料格栅加筋板后屈曲分析的有限元方法; 分析中同时考虑了蒙皮和肋骨中纤维断裂、基体开裂等损伤累积造成的刚度的退化和蒙皮分层子板间的闭合接触效应, 为含损伤复合材料格栅加筋板的后屈曲特性研究提供了一种有效的数值分析方法。分析结果表明, 蒙皮分层面积较大时, 格栅加筋板出现蒙皮分层上子板的局部屈曲后仍然具有较强的继续承载能力, 而在后屈曲分析中, 应考虑损伤累积对格栅加筋结构承载能力的影响; 采用非线性虚拟界面元可成功处理分层子板间的闭合接触效应。      

具有分层损伤复合材料加筋与无加筋层合板热-机械力屈曲性态

基于复合材料一维剪切理论——Mindlin 理论, 给出了材料性质与温度有关的含分层损伤复合材料加筋和无加筋层合板的线性和非线性热-机械力耦合情况下的屈曲问题有限元分析方法, 并研究了含分层损伤的加筋和无加筋层合板的两种不同类型的热- 机械力屈曲问题。通过典型算例分析, 讨论了热-机械力耦合效应和分层大小对含分层损伤结构的屈曲性态的影响关系。     

钻孔分层损伤对复合材料层合孔板压缩力学行为的影响

钻孔分层损伤对复合材料层合孔板的承载能力和失效模式有着显著的影响。通过实验和仿真相结合的方式,开展单一预制分层缺陷下、双分层缺陷同侧耦合及双分层缺陷异侧耦合作用下复合材料层合孔板的压缩承载能力及失效模式的研究。通过预埋聚四氟乙烯薄膜,制备了含单一圆形预制分层缺陷的碳纤维增强树脂复合材料开孔板试件,采用浸没式超声C扫和数字图像DIC技术分别对复合材料层合板损伤和法向变形进行检测,研究含不同尺寸预制分层开孔层合板在压缩载荷下的分层扩展及失效变形特征,进而揭示分层缺陷大小对其承载能力的影响机制。构建基于内聚力单元方法的含孔复合材料层合板数值模型,对比实验修正模型,探索了单一预制分层缺陷下碳纤维增强树脂复合材料开孔板的损伤扩展机制,并在此模型基础上开展双分层缺陷耦合作用下复合材料开孔板在压缩载荷作用下的屈曲变形、分层扩展和承载能力的数值预测和分析。实验结果表明：含单一圆形预制分层缺陷的碳纤维增强环氧树脂复合材料开孔层合板试件呈现出初始受压、局部屈曲、整体屈曲后破坏的失效模式,预制分层缺陷对复合材料孔板压缩力学性能有显著影响,随着缺陷的增大压缩承载能力逐渐下降。双分层缺陷耦合作用数值分析表明：双...     

含分层复合材料层合板的接触阻尼特性

阻尼响应是用于识别分层损伤的高敏感动态参数。分层板的阻尼包括材料阻尼和接触阻尼两部分:基于应变能法,计算了复合材料材料阻尼;基于静-动摩擦一体化能量损耗模型,计算了一阶模态下分层界面接触阻尼;采用有限元软件Abaqus建立了分层板有限元模型(FEMs),借助罚刚度法引入界面法向接触刚度,同时运用等效黏性阻尼引入接触阻尼参数,分析了分层层合板动态响应;采用自由衰减试验测量了不同分层尺寸和厚度方向位置板件的动态参数。结果表明,分层比例越大,层合板的一阶模态阻尼上升越多,其中接触阻尼起主要作用。试验结果与有限元结果吻合较好,验证了有限元模型的合理性和准确性。     

Dynamic behavior of delaminated plates considering progressive failure process

The paper is to study on dynamic response behavior of the delaminated composite plates considering progressive failure process. A formula of element stiffness and mass matrices for the composite laminates is deduced by using the first-order shear deformation theory combined with the selecting numerical integration scheme. A damping model is constituted by a generalized orthogonal damping model on basis of Adams' strain energy method. A virtual interface linear spring element is also employing for avoiding the overlap and penetration phenomenon between the upper and lower sublaminates at the delamination region. The failure analysis method for the delaminated plates under dynamic loading is established by a modified Newmark direct integral method in conjunction with Tsai's failure criterion and corresponding stiffness degradation scheme. By some numerical examples, the effects of frequency of dynamic load, delamination length and location, and reduction of structure stiffness during the progressive failure process upon dynamic behavior of the delaminated composite plates are discussed. The method and conclusions would be useful for composite structures designers.     

含分层损伤复合材料等三角形格栅加筋板的起裂和扩展过程研究

对在压缩载荷下先进复合材料等三角形格栅加筋板结构 (AGS) 后屈曲阶段的分层起裂和扩展过程进行了研究。基于一阶剪切变形理论和 Von2 Karman几何非线性关系 , 提出了 AGS结构后屈曲有限元分析模型 ;基于总能量释放率准则 , 并利用虚裂纹闭合法 (VCCT) 及自适应网格的生成和移动技术分析了分层损伤的扩展过程 , 在分析过程中考虑了分层前缘的接触效应。并通过典型算例 , 讨论了不同的初始分层尺寸、 肋骨刚度对等三角形格栅加筋板结构的分层起裂和扩展过程的影响 , 通过与具有相同几何尺度的正交格栅加筋板结构的比较 ,说明等三角形格栅加筋板结构具有较高的抗分层能力。本文方法和所得结论对 A GS结构的承载能力预测和设计将具有参考价值。      

Progressive failure analysis for advanced grid stiffened composite plates/shells

A progressive failure methodology is developed to simulate the initiation and propagation of multi-failure modes for advanced grid stiffened (AGS) composite plates/shells on the basis of a stiffened element model. Failures of both skin and ribs are taken into consideration, which are matrix cracking, fiber failure, fiber–matrix shear failure, delamination in skin and fiber failure in rib. All these failures are defined using a set of 2-D stress-based polynomial failure criteria wherein the transverse shear stresses at centroid of the stiffened element are calculated by employing an integrated approach of finite element and finite difference method. Corresponding material and stiffness degradation behavior is introduced after the initiation of individual failure mechanisms. The progressive failure behavior of a composite orthotropic-grid curved panel with a centrally located cutout under compressive load is evaluated using the method.     

阻尼夹芯复合材料加筋板的振动分析与数值模拟

以阻尼夹芯复合材料加筋板为研究对象,依据一阶剪切变形理论(FSDT)和Hamilton原理,推导板和加强筋的应变能、动能表达式,采用变分原理建立控制微分方程,根据相关边界条件和傅里叶级数求解方程。建立了ANSYS阻尼夹芯复合材料加筋板的有限元模型,该模型考虑到阻尼夹芯复合材料加筋板中阻尼材料与纤维预浸料间的结合方式,用模态应变能有限元数值模拟方法研究了结构的动力学性能,并通过对数值模拟结果与理论解的比较,验证了模型的合理性和有效性。探讨了不同的筋条尺寸、不同的筋条数量、不同的筋条分布方式对阻尼夹芯复合材料加筋板动力学性能的影响,得出了阻尼夹芯复合材料加筋板的一阶模态频率和损耗因子随不同参数的变化曲线,其结论为阻尼夹芯复合材料加筋板的优化设计提供参考。     

基于频率和阻尼分析的含分层损伤复合材料层合板的损伤诊断

提出了一种基于动力有限元分析和神经网络相结合的含分层损伤层合板的诊断方法。采用作者发展的含分层损伤层合板的动力有限元分析模型和方法,计算了具有不同分层长度损伤层合板的频率和模态阻尼值,以此建立样本库。应用反向传播BP神经网络训练和形成网络。典型含层间分层损伤层合板的仿真结果表明,采用对损伤变化较为灵敏的高阶模态阻尼作为网络的输入参数进行分层损伤诊断比常用的模态频率更为合理。本文中提出的是一种用于层合板的分层损伤诊断的有效和经济的方法。      

Free Vibration Analysis of Folded Plate Structures by the FSDT Mesh-free Method

Based on the first-order shear deformation theory, a mesh-free Galerkin method for free vibration analysis of stiffened and un-stiffened folded plates and plate structures is presented in this paper. The folded plate or plate structure is modelled as a composite structure that consists of flat plates. The stiffness and mass matrices of the flat plates are derived based on the mesh-free formulation. To avoid the failure of direct superposition, a treatment is introduced to modify the stiffness and mass matrices. The global stiffness and mass matrices of the entire folded plate or plate structure are then obtained by superposing the modified stiffness and mass matrices of the flat plates. The analysis of the stiffened folded plates or plate structures proceeds in a similar fashion, as they are regarded as composite structures of stiffened and un-stiffened flat plates. The stiffness and mass matrices of the stiffened flat plates are also given by the mesh-free method. As no meshes are used in deriving the stiffness and mass matrices, the proposed method is more flexible in studying problems for which remeshing is inevitable with the finite element methods. Several numerical examples are computed with the proposed method to demonstrate its accuracy and convergence. The results show good agreement with the solutions that have been given by other researchers and ANSYS.