纤维铺层角度对复合材料薄壁圆管轴向压溃吸能特性影响研究

研究T700/3234复合材料薄壁圆管轴向压溃吸能特性受纤维铺层角度变化的影响规律。开展复合材料力学性能试验和薄壁圆管轴向准静态压溃试验。通过对比圆管轴向压溃峰值载荷及比吸能等指标的试验结果,验证建立的复合材料圆管有限元模型和分析方法。基于验证的有限元分析方法,探讨了复合材料纤维铺层角度的变化对薄壁圆管轴向压溃吸能特性的影响规律。结果表明,在准静态轴向压缩载荷下,随着纤维铺层角度的增大,比吸能先增大后减小;纤维角度为±45°时,初始峰值载荷最低,载荷效率最高,圆管易于进入渐进破坏吸能阶段。研究结果可为复合材料纤维铺层角度设计及复合材料薄壁结构有限元建模提供参考。     

含不确定性参数的复合材料薄壁结构吸能特性评估方法研究

由于复合材料性能分散度大、加工精度较低,为复合材料薄壁吸能结构引入了不可忽略的不确定性因素,为此,提出了一种含不确定参数的复合材料薄壁结构吸能特性的评估方法并进行了算例研究。复合材料薄壁圆管是一种典型的吸能元件,圆管的壁厚和内径是对其吸能特性有显著影响的特征几何尺寸,考虑了这两个参数的不确定性,在准静态压溃的条件下评估了薄壁圆管的引发比应力和比吸能这两个关键吸能指标。首先,利用区间分布来描述壁厚和内径的不确定性,其次应用有限元方法建立区间内不确定参数和结构吸能特性指标间的二阶响应面函数,最后对响应面函数进行区间摄动从而确定吸能特性指标的分布区间。算例研究结果显示,与比吸能相比,引发比应力受壁厚和内径不确定性的影响更大。此外,相比于内径,壁厚的不确定性对吸能特性影响更显著,因此为获得稳定的结构吸能特性应尽量提高复合材料圆管壁厚的加工精度。     

铺层顺序对复合材料薄壁圆管轴向压溃吸能特性的影响研究

采用仿真和试验相结合的方法探讨复合材料薄壁圆管在准静态轴向压缩载荷下的失效吸能特性和吸能机理。首先,建立复合材料薄壁圆管"层合壳"有限元模型,通过显式动力学方法求解其在准静态轴向载荷下的压溃失效力学行为。仿真与试验结果在圆管轴向压溃变形过程、初始峰值载荷、平均压溃载荷及比吸能等主要吸能参数上具有很好的一致性,验证了"层合壳"复合材料圆管有限元模型和建模方法的有效性。其次,采用解析模型与仿真分析方法分别对[0/90]_3s、[0/90/0₂/90₂]_s、[0₃/90₃]_s三种不同铺层顺序的复合材料圆管的屈曲载荷与吸能特性进行了对比,进一步分析了铺层顺序对圆管失效吸能特性的影响。研究表明,0°与90°铺层交替程度对复合材料圆管的吸能特性影响较大,保证纤维失效方式在结构宏观失效中占主导地位能够提高材料失效吸收能量。     

含概率不确定性的复合材料吸能结构优化设计方法研究

由于复合材料力学性能分散度较大、加工精度较低,复合材料薄壁吸能结构具有难以忽略的不确定性。为此,建立了考虑参数不确定性的复合材料薄壁吸能结构优化设计方法,旨在设计阶段识别参数的不确定性,并设计出具有最优吸能特性的薄壁吸能结构;首先,根据使用条件获取设计参数的范围,并利用中心组合实验设计确定设计参数的试验矩阵;然后,计算试验矩阵中每组设计参数吸能特性指标的平均值和标准差;接下来,分别确定不同复合材料薄壁结构设计参数组合与吸能特性指标的均值及标准差之间的响应面方程;最后,结合响应面方程和设计要求将其代入到优化后的数学表达式中,采用序列二次规划算法进行优化求解。以T700/3234复合材料薄壁圆管为研究对象,在规定特征尺寸范围内,分别对规定峰值载荷求比吸能最大,以及对规定峰值载荷求比吸能标准差最小问题,进行了优化求解,验证了所提方法的实用性。     

圆形薄壁构件准静态径向压缩下的吸能特性分析

为探讨薄壁吸能构件径向压缩下的吸能防冲特性,以圆形薄壁构件为例,采用理论分析、数值模拟和实验研究方法,对构件径向压缩下的吸能防冲特性进行研究,得出以下主要结论:构件压缩过程中具有稳定的变形破坏模式和较为恒定的承载力。内径对载荷波动系数、冲程效率和总吸能影响较小,压溃峰值载荷、平均压溃载荷随内径增加而降低。构件压溃峰值载荷、平均压溃载荷和总吸能均随壁厚增加而增大,载荷波动系数和冲程效率随壁厚增加而降低。长度对载荷波动系数和冲程效率影响较小,构件压溃峰值载荷、平均压溃载荷和总吸能均随长度增加而增大。研究结果为圆形构件尺寸选取提供理论依据,为其它类型薄壁构件径向压缩吸能特性分析提供参考。     

直升机抗坠毁元件构形设计分析研究

为探究差异化的构形参数对复合材料波纹梁吸能性能影响,针对多种构形波纹梁,进行动态压溃试验,对试验现象分析及试验数据处理,给出了多种构形波纹梁的载荷-时间曲线和破坏模式。采用有限元软件ABAQUS模拟波纹梁的瞬态冲击过程,得到吸能特性参数比吸能(SEA)和平均载荷值等,并与试验结果对比,对比结果验证了数值模型的有效性。通过试验及数值分析结果讨论了波纹构形对波纹梁峰值载荷和吸能能力的影响,对不同构形波纹梁以及增加薄弱环节设计的吸能差异作出评估,为实际工程设计提供参考依据。结果表明,利用等截面剖面杆轴向压缩载荷作用下的临界应力方程将波纹梁梁高/波幅比、波长/波幅比设定在相应关系式时波纹梁结构表现出较为稳定的压溃过程,具有一定的应用价值;波纹腹板圆角R值除了对峰值载荷及平均载荷有影响,对波纹梁破坏模式改变也有一定关系,薄弱圆角r值能比较好的改善峰值载荷大小。     

圆弧刻槽薄壁圆管轴向压溃吸能特性数值研究

目的为了提高能量吸收效率,设置出一种合理的诱导结构,对吸能构件产生积极影响。方法薄壁圆管设计一种环向圆弧刻槽诱导结构,在不同长径比、径厚比和刻槽深度的条件下研究薄壁结构吸能特性。结果吸能量与圆管长径比和径厚比成反比,初始压溃载荷随刻槽深度增加而减小。结论在不同的条件下,刻槽结构能够有效降低初始载荷,并获得较为平稳的压溃载荷平台。     

复合材料吸能圆管在半圆凹槽触发机制下的斜向压溃失效行为

有效的触发机制能诱导并改善复合材料吸能结构的轴向渐进压溃行为,但仍无法解决汽车吸能结构在斜向冲击载荷下的失稳问题。为了提出新的设计来改善失稳行为,对复合材料吸能圆管在半圆凹槽触发机制下的斜向压溃行为和失效机制进行研究。建立引入半圆凹槽触发机制的圆管有限元模型,采用界面和层内非线性损伤演化模型来模拟其真实的压溃失效模式。通过对比模拟和实验对应的轴向压溃载荷、吸能和失效模式来验证圆管的准静态压溃模型。进而,预测斜向压溃角度(10°～50°)对圆管在半圆凹槽触发机制下压溃行为的影响,并详细揭示其轴向和斜向压溃失效机制及其区别。结果表明,压溃载荷、吸能及失效面积随角度增大而明显减小,不稳定的压溃过程使材料失效耗能不充分。圆管在轴向压溃下表现为渐进破坏,而在斜向压溃下以“渐进破坏”向“失稳破坏”过渡为特征,导致斜向压溃载荷与吸能曲线均存在一个过渡。本研究加深了对圆管在外部触发机制下斜向压溃失效机制的理解,为改善斜向压溃失稳行为提供了一定的设计依据。     

变刚度碳纤维/环氧树脂复合材料薄壁圆管轴向压溃响应与破坏机制

通过控制缠绕线型改变轴管纤维角度,制备了一种轴向刚度渐变、压溃稳定的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)变刚度薄壁圆管。对变刚度、[±45°]_n以及[90°]_n三类CFRP缠绕轴管进行轴向准静态压缩测试,结合数字图像相关技术(DIC)及有限元结果,对比三类结构压溃初始应变模式、损伤演化与应力状态结果,研究了变刚度结构的压溃响应与破坏机制。结果表明:不同纤维角度CFRP轴管因轴向刚度不同,压溃的初始破坏与损伤演化过程相异,三类结构产生不同的压溃响应与破坏模式。变刚度区连续变化的大角度纤维能有效地引发分层和“开花式”混合破坏,缓慢释放应变能,使变刚度CFRP轴管吸能效果明显优于其他两类结构。其峰值载荷为66.97 kN,压溃效率为50.8%,比吸能为10.1 kJ/kg,相对于[±45°]_n结构比吸能提升156.35%,压溃效率提升518.76%,相对于[90°]_n结构比吸能提升16.9%,压溃效率降低27.3%。      

复合材料层合结构破坏机理及压溃吸能特性分析

针对纤维增强复合材料层合试验样件,对[90]_(16)和[0]_(16)试验样件分别进行拉伸、压缩试验,对[±45]_(4s)试验样件进行剪切试验,分析其破坏模式,通过SEM扫描电镜观察试验样件断口微观形貌,揭示其细观破坏机理。针对纤维增强复合材料层合薄壁结构,对[±45/0/0/90/0]_s圆管、[0/90]_(3s)圆管、[0/90]_(3s)方管和[±45]_(3s)方管进行准静态轴向压溃试验,分析其宏观破坏模式及吸能特性。结果表明:宏观破坏模式是多种细观破坏机理共同作用的结果,包含纤维断裂、基体变形与开裂、层间与层内裂纹扩展等;[±45/0/0/90/0]s圆管为横向剪切破坏模式,比吸能最大;[0/90]_(3s)圆管为层束弯曲失效模式,比吸能次之;[0/90]_(3s)方管为层束弯曲失效模式,比吸能第三大;[±45]_(3s)方管为局部屈曲失效模式,比吸能最小。不同铺层方式复合材料层合薄壁圆管和方管压溃破坏失效模式差异较大,比吸能差距也较大,通过合理设计可以改变复合材料层合薄壁结构破坏模式,改进其吸能特性。