复合材料层合板阶梯形挖补胶接修理渐进损伤分析

建立了复合材料层合板阶梯形挖补胶接修理构型的渐进损伤分析三维有限元模型, 同时考虑了复合材料母板、 补片和胶层的损伤扩展以及它们之间的相互影响。层合板采用含正交各向异性损伤的连续介质损伤力学(CDM)本构方程进行描述, 材料积分点处的损伤状态采用二阶张量形式的内部状态变量表征。胶层采用含各向同性损伤的CDM本构方程进行描述, 材料积分点处的损伤状态采用常数形式的损伤变量表示。计算结果与试验数据符合较好, 说明该模型可较好预测挖补胶接修理的复合材料层合板拉伸强度及其失效模式。     

基于连续介质损伤力学的复合材料层合板低速冲击损伤模型

基于连续介质损伤力学（CDM）方法,建立了分析复合材料层合板低速冲击问题的三维数值模型。该模型考虑了层内损伤（纤维和基体损伤）、层间分层损伤和剪切非线性行为,采用最大应变失效准则预测纤维损伤的萌生,双线性损伤本构模型表征纤维损伤演化,基于物理失效机制的三维Puck准则判断基体损伤的起始,根据断裂面内等效应变建立混合模式下基体损伤扩展准则。横向基体拉伸强度和面内剪切强度采用基于断裂力学假设的就地强度（in-situ strength）。纤维和基体损伤本构关系中引入单元特征长度,有效降低模型对网格密度的依赖性。层间分层损伤情况由内聚力单元（cohesive element）预测,以二次应力准则为分层损伤的起始准则,B-K准则表征分层损伤演化。分别通过数值分析方法和试验研究方法对复合材料典型铺层层合板四级能量低速冲击下的冲击损伤和冲击响应规律进行分析,数值计算和试验测量的接触力-时间曲线、分层损伤的形状和面积较好吻合,表明该模型能够准确地预测层合板低速冲击损伤和冲击响应。     

针刺C/C复合材料面内拉伸强度预测

为研究针刺碳纤维增强碳基体复合材料(针刺C/C复合材料)面内拉伸强度与渐进损伤,建立了针刺C/C复合材料代表性体积单元有限元模型。模型包含无纬布层、网胎层、针刺纤维束、界面4类子区域,并考虑了孔隙的影响。采用基于应变的破坏准则及指数型损伤演化规律研究无纬布层及针刺纤维束损伤,采用弹塑性本构研究网胎层损伤,采用内聚力牵引分离定律和二次应力破坏准则分析界面损伤。通过两步法计算了孔隙对材料性能的折减效果,并得到上述4个子区域的力学性能,通过ABAQUS UMAT预测了材料的面内拉伸应力-应变曲线及各子区域损伤起始、演化与失效过程,非线性趋势及拉伸强度数值与试验数值吻合较好,验证了该模型有效性。      

含切口复合材料层合板拉伸应变集中与失效分析

通过对圆形切口和长条形切口复合材料层合板试件进行拉伸实验,研究中心切口形状对层合板力学性能的影响。根据实验测得的应变分布规律确定切口引起的应变集中,并分析层合板的破坏过程。建立了基于连续刚度退化准则的渐进损伤模型,分析含切口试件的损伤扩展进程。结果表明,渐进损伤分析模型可准确描述含切口层合板的拉伸失效行为;长条形切口引起的应变集中系数较高,但切口附近的应变梯度更大;两种中心切口形式的复合材料层合板损伤进程有较大差异,但两者的拉伸强度较为接近。     

搭接长度和铺层方式对CFRP复合材料层合板胶接结构连接性能和损伤行为的影响

针对不同搭接长度和铺层方式的碳纤维增强树脂（CFRP）复合材料层合板单搭胶接结构进行了拉伸试验,观察了试件的受力过程和失效形态,获得了载荷-位移曲线;同时基于连续损伤力学模型和三维Hashin失效准则模拟了CFRP复合材料层合板的层内损伤形成和演化,并利用内聚力模型来模拟层间及胶层的失效损伤,对CFRP复合材料层合板单搭胶接结构在拉伸作用下的失效强度和损伤机制进行了预测,通过对比验证了该数值方法的有效性;通过数值试验比较不同搭接长度和铺层方式的单搭胶接结构及双搭胶接结构的连接强度和损伤行为,并提出了一种优化的CFRP复合材料层合板胶接结构。结果表明:CFRP复合材料层合板胶接结构的极限失效载荷随着搭接长度的增大逐渐增加并趋于稳定值,且结构的失效形式逐渐从胶层自身剪切失效过渡到邻近胶层的层合板层间分层失效;CFRP复合材料层合板胶接结构的连接强度和损伤行为随着铺层方式的不同而改变,通过对3种铺层方式的对比和分析,得到性能最好的铺层方式是[0₃/90₃]_2S;在搭接长度为5~20 mm时,通过对搭接长度进行优化,得到单搭胶接结构的最优搭接长度是17 mm,双搭胶接结构的最优搭接长度是19.3 mm,与搭接长度为20 mm相比,单搭胶接结构和双搭胶接结构的连接强度分别提高了13.26%和0.43%。      

复合材料层合板缺口强度的CDM三维数值模型

针对复合材料层合结构缺口强度问题,基于连续损伤力学（CDM）提出了一种三维损伤数值模型。模型区分了层内损伤（纤维失效、纤维间失效）和层间分层损伤的不同失效模式。采用三维Puck准则与Aymerich准则对上述2类损伤进行判定,材料失效后基于CDM中线性软化模型对材料损伤进行演化。模型考虑了复合材料层合板子层的就位效应和剪切非线性行为。对Carlsson的AS4/3501-6缺口拉伸强度试验进行数值模拟。结果表明:分析结果与试验结果吻合良好,证明了该模型能够准确地预测含缺口复合材料层合板面内拉伸强度。      

铺层方式对CFRP-铝合金单搭接胶接接头低速冲击损伤及剩余拉伸性能的影响

采用热压罐成型方法制备铺层方式为[+45/-45]_4s、[0/+45/-45/90]_2s和[0/90]_4s的碳纤维复合材料层合板,通过胶黏剂与铝合金板进行粘接获得异质材料单搭接胶接接头。利用落锤冲击试验机和万能电子试验机分别对三种接头进行低速冲击与冲击后静态拉伸测试,获得接头接触力-时间曲线和拉伸强度。通过CT扫描技术和数字图像相关(DIC)方法表征接头冲击损伤模式及表面应变演化过程,研究了铺层方式对接头抗冲击性能、冲击损伤模式以及剩余拉伸性能的影响。结果表明,复合材料铺层方式为[+45/-45]_4s时,接头在冲击载荷作用下具有较高的抗冲击性能,但胶层界面脱粘损伤较为严重。与胶层界面脱粘相比,接头剩余强度对层合板分层损伤更为敏感。相较于[+45/-45]_4s,[0/+45/-45/90]_2s和[0/90]_4s铺层方式接头的胶层界面脱粘范围与冲击后失效载荷退化程度较小,同时接头冲击后拉伸载荷主要集中于临近胶层的0°铺层且失效模式较为复杂...     

Glass/Epoxy复合材料叠层板面内剪切连续损伤模型

为确定S2玻璃纤维/环氧树脂(S2-Glass/Epoxy) 叠层复合材料面内剪切应力-应变关系,对S2-Glass/Epoxy 叠层复合材料面内剪切拉伸载荷下的弹、塑性连续损伤本构模型及应用进行了研究。基于平面应力状态下的连续损伤力学模型,通过典型面内剪切拉伸实验,分别建立了忽略塑性应变和考虑塑性应变的两种连续损伤力学(CDM)模型,并确定相关参数。通过ABAQUS/Explicit 用户子程序VUMAT接口,分别采用两种CDM模型对S2-Glass/Epoxy 叠层复合材料面内剪切拉伸实验进行有限元数值计算,与实验结果对比,验证模型可靠性,并分析单元类型对有限元计算结果的影响。研究结果表明: 忽略塑性应变的CDM模型可以很好地预测复合材料面内剪切失效强度,但不能较好地预测其非线性力学响应; 考虑塑性应变,将塑性硬化与损伤耦合后的CDM模型则能较好的预测复合材料非线性力学响应和面内剪切失效强度; 该平面应力状态下建立的CDM模型可用于壳单元进行复合材料有限元数值计算,横向剪切作用导致传统壳单元数值计算的载荷位移曲线略低于平面应力单元计算结果; 减缩积分算法有利于提高有限元数值计算结果的准确性。     

三维复合材料层合板渐进损伤非线性分析模型

为有效反映复合材料层合板层间相互作用和材料损伤非线性,建立了中等尺度的三维复合材料层合板渐进损伤分析模型。非线性渐进损伤分析过程包括应力求解、材料损伤失效判据及材料性能退化方案3个方面。讨论了损伤材料性能退化方案,引入与材料损伤模式相对应的损伤变量表征材料点的损伤状态,材料的刚度矩阵按损伤变量退化。基于该模型可成功预测复合材料层合板损伤起始、扩展直至最终失效的整个过程和极限强度。经文献试验数据验证,12种不同铺层顺序层合板的计算强度与试验数据均吻合较好,表明该模型在复合材料层合板极限强度预测上的有效性。     

复合材料层板开孔拉伸损伤分析

针对纤维增强复合材料层板开孔拉伸, 将复合材料层板的失效分为层内失效和层间失效, 建立了复合材料层板开孔拉伸损伤分析模型。该模型基于逐渐损伤分析, 对不同复合材料开孔层板进行了失效预测, 并与文献试验结果进行了对比, 破坏强度和失效模式均与文献试验结果非常吻合。结果表明本文中所建立的层板开孔拉伸损伤分析模型能够模拟含孔层合板拉伸过程中的损伤起始、 损伤扩展和最终破坏模式, 并最终预测含孔层合板拉伸失效模式和破坏强度。      

复合材料开孔层板压缩渐进损伤试验

为研究碳纤维增强树脂基复合材料开孔层板在压缩加载过程中的损伤起始、演化方式和损伤特点,采用微距拍摄、逐级加载超声C扫描、X光扫描和扫描电子显微镜观测4种观测手段对国产CCF300/5228A[45/0/-45/90]4s、[452/02/-452/902]2s、[454/04/-454/904]s3种铺层方式的开孔层板进行了压缩试验研究。对压缩载荷作用下开孔层板的损伤起始和损伤演化进行了观察和对比。对试验中观测到的纤维微屈曲、纤维挤出、孔边开裂和分层扩展等现象之间的关系进行了分析和说明。试验结果表明:压缩载荷下45°和90°铺层相邻位置为层板易分层位置,含45°和90°铺层相邻位置的开孔层板渐进损伤过程较为明显:开孔层板在压缩载荷下较早出现损伤,损伤的起始和演化缓解了孔边应力集中,促使压缩应变能在孔边逐步释放,推迟开孔层板压缩破坏的发生,提高层板压缩承载能力。研究结果可为材料结构损伤容限设计提供依据。     

复合材料层合板基体裂纹的协同损伤演化模型

首先,为研究复合材料层合板在准静态载荷下的基体裂纹演化特征,提出了一个基于能量的协同损伤演化模型。然后,通过模型对损伤进行了多尺度分析:从微观角度,采用三维有限元方法求得裂纹表面位移;从宏观角度,结合裂纹表面位移,推导了萌生基体裂纹的能量释放率。最后,根据裂纹萌生准则对基体裂纹的演化过程进行预测。模型考虑了演化过程中损伤的相互影响、残余应力、基体材料非线性、材料初始损伤分布及损伤演化的不均匀性。根据演化分析流程计算了[±θ/904]s铺层玻璃纤维复合材料的基体裂纹演化过程。结果表明:这一模型能够准确地预测准静态载荷下复合材料层合板基体裂纹的损伤演化规律。     

缝合复合材料层板低速冲击损伤数值模拟

建立了缝合复合材料层板在低速冲击载荷下的渐进损伤分析模型。模型中采用空间杆单元模拟缝线的作用;采用三维实体单元模拟缝合层板,通过基于应变描述的Hashin准则,结合相应的材料性能退化方案模拟层板的损伤和演化;采用界面单元模拟层间界面,结合传统的应力失效判据和断裂力学中的应变能释放率准则判断分层的起始和扩展规律。通过对碳800环氧树脂复合材料（T800/5228）层板的数值仿真结果和试验结果相比较,验证了模型的正确性,同时讨论了不同冲击能量下缝合层板的损伤规律。研究结果表明：缝线能够有效地抑制层板的分层损伤扩展;相同冲击能量下缝合与未缝合层板的基体损伤和纤维损伤在厚度分布上相似,缝合层板的损伤都要小于未缝合层板。     

Damage detection of surface cracks in composite laminates using modal analysis and strain energy method

This paper presents an approach to detect surface cracks in various composite laminates. Carbon/epoxy composite AS4/PEEK was used to fabricate laminated plates, [0]₁₆, [90]₁₆, [(0/90)₄]_S and [±45/0/90]_2S. Surface crack damage was created on one side of the plate using a laser cutting machine. Modal analysis was performed to obtain the mode shapes from both experimental and finite element analysis results. The mode shapes were then used to calculate strain energy using the differential quadrature method (DQM). Consequently, the strain energies of laminated plates before and after damaged were used to define a damage index which successfully identified the surface crack location.     

Effects of temperature on impact damages in CFRP composite laminates

In this paper, the effect of temperature variations (low and high temperatures) was studied experimentally on impact damage to CFRP laminates. The composite laminates used in this experiment were CF/EPOXY orthotropic laminated plates with lay-up [0₆/90₆]_s and [0₄/90₄]_s, and CF/PEEK orthotropic laminated plates with a lay-up of [0₆/90₆]_s. A steel ball launched by the air gun was used to generate the CFRP laminate impact damage. For impact-damaged specimens, nondestructive evaluation (NDE), such as a scanning acoustic microscopy (SAM) was performed on the delamination-damaged samples to characterize damage growth at different temperatures.

Therefore, this study was undertaken to experimentally determine the interrelations between impact energy and impact damage (i.e. the delamination area and matrix) of CFRP laminates (CF/EPOXY and CF/PEEK) subjected to foreign object damages (FOD) at low and high temperatures.     

复合材料波纹梁冲击试验与数值模拟

为了探究复合材料波纹梁的吸能性能,针对铺层形式分别为[(±45)3/(0,90)/(±45)3]、[(±45)8]和[(±45)7]的3种复合材料波纹梁元件,进行了动态冲击试验,得到了吸能载荷-位移曲线,并对其损伤破坏形貌进行了分析。以连续损伤力学为基础,结合改进的Hashin损伤判定准则以及损伤演化规律,提出了针对波纹梁耐撞性损伤分析的刚度退化模型,并基于有限元软件平台开发了适用于波纹梁渐进损伤分析的子程序。对3种不同结构形式的波纹梁进行了渐进失效数值分析,模拟得到了能量评估参数比吸能(SEA)和平均载荷值,并将模拟结果与试验结果进行了对比分析。比较分析了不同薄弱环节复合材料波纹梁的吸能能力。结果表明:波纹梁在冲击载荷作用下发生了渐进压溃失效;平均压溃载荷的相对误差不超过12%,能够满足工程应用要求;薄弱环节的设置需综合考虑复合材料性能和铺层方式等因素。     

复合材料加筋板低速冲击损伤的数值模拟

建立了复合材料加筋板在横向低速冲击载荷作用下的渐进损伤有限元模型。该模型考虑了复合材料加筋板受低速冲击时的纤维断裂、基体开裂及分层脱粘等五种典型的损伤形式, 在层内采用应变描述的失效判据, 结合相应的材料性能退化方案, 通过编写VUMAT用户自定义子程序以实现相应损伤类型的判断和演化。在层间以及筋条与层板间加入界面元, 模拟层间区域的情况, 结合传统的应力失效判据和断裂力学中的能量释放率准则来判断分层损伤的起始和演化规律。通过对数值模拟结果与实验数据的比较, 验证了模型的合理性和有效性。同时探讨了不同位置、不同冲击能量以及含初始损伤(脱粘)等因素对复合材料加筋板低速冲击性能的影响。     

Measurement of the static compressive strength of carbon-fibre/epoxy laminates

This paper describes an experimental study of the compressive failure of T800/924C carbon-fibre/efoxy composite laminates. Undirectional laminates loaded parallel to the fibres have compressive strengths that are 70% of the tensile strength and fail by fibre-microbuckling. During microbuckling the fibre debonds from the matrix, and the fibres break in bending. Multidirectional [(±45/0₂)₃]_sm laminates were also tested in compression, and the critical failure mechanism observed was microbuckling of the 0° plies. The failure strain was almost the same as for the undirectional laminate, The failure strain was almost the same as for the unidirectional laminate, which indicated that the ±45° plies have no significant influence on the failure strength of the 0° plies.     

Interfacial debonding in laminated titanium matrix composites

The results of an experimental program in which multiaxial loads were applied to [0₄] and [±45]_s silicon carbide/titanium (SiC/Ti) tubes are reviewed showing that stress coupling, matrix viscoplasticity (including room temperature creep) and fiber/matrix interfacial damage all contribute to nonlinear response and permanent strains in titanium matrix composites (TMC). A micromechanical model that explicitly considers the aforementioned phenomena is presented herein. The model assumes a periodic microstructure and uses finite elements to analyze a representative volume element. The composite is assumed to be in a state of generalized plane strain making it possible to discretize only a generic transverse plane while still being able to apply three-dimensional loading through appropriate boundary conditions. The response of laminated composites is predicted by incorporating the micromechanical results into nonlinear lamination theory. Predictions are presented to show the influence of the model parameters on the effective composite response of unidirectional [0₄] and angle-ply [±45]_s TMC laminates.