玻璃纤维/树脂复合材料缠绕空心玻璃微珠/树脂实芯球形结构单元耐撞能量耗散机制

提出并设计了一种新型的玻璃纤维/树脂复合材料缠绕空心玻璃微珠/树脂实芯球形结构单元。为探讨其在低速大质量冲击载荷作用下的约束损伤演变特征和耐撞能量耗散机制,通过ABAQUS建立该结构单元的数值分析模型并开展了低速大质量冲击试验研究。数值模拟与试验结果对比分析表明,该结构单元耐撞性设计的关键在于表层与内部球形浮力芯材的泊松比匹配性设计。内部球形浮力芯材在环向泊松较低表层约束应力的控制下发生平稳的塑性压缩损伤和剪切断裂破坏,表层在内部球形芯材横向膨胀效应的作用下发生渐进式环向拉伸断裂破坏,呈现花瓣形损伤破坏特征。结果表明,该新型结构单元不仅具有优异的耐撞能量耗散特性,同时能为水下结构平台提供一定的储备浮力。     

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。     

结构参数对树脂基纤维编织复合材料折叠夹芯结构力学性能的影响

折叠夹芯结构是一种新型的复合材料夹芯结构,其结构参数对力学性能有重要的影响。文中以碳纤维和Kevlar平纹编织预浸料为芯材原料,采用热压工艺,制备了复合材料折叠夹芯结构试样。通过压缩试验得到不同条件下折叠夹芯结构在静态压缩载荷作用下的力-位移变化曲线。构建了复合材料折叠夹芯结构有限元模型,对不同结构参数复合材料折叠夹芯的力学性能进行了数值模拟分析,并将模拟结果与实验结果进行对比验证了模型的可靠性。实验及数值模拟的分析结果表明,随着芯材厚度的增加,折叠夹芯层的压缩强度呈线性增加,其破坏形式由假塑性变形逐渐向脆性破坏转化;面板对夹芯层的约束作用能够极大地提高压缩模量和强度,而且上下面板对压缩性能曲线有着不同的影响;折叠夹芯单元的高度、长度、折叠夹角等参数对其力学性能具有不同程度的影响。     

考虑纤维束弯曲的缎纹织物面内压缩行为分析

基于弹性弯曲波理论分析了应力波在复合材料内部的传播规律,并针对四枚缎纹织物复合材料,进行了准静态和动态验证实验研究。研究表明,在面内压缩载荷作用下,纤维束交织程度越高,材料压缩强度越低,说明织物复合材料的细观结构对其面内力学性能有重要影响。发现准静态载荷作用下试样主要为整体剪切破坏,且剪切断裂发生于加载方向纤维束的弯曲起始段;而动态载荷作用下,试样的主要损伤模式为分层,在应力波的作用下分层损伤沿纤维束间的界面扩展,同时伴随有纤维束弯曲起始段的剪切断裂。     

编织复合材料圆管准静态轴向压缩吸能特性的试验研究

通过二维三向编织复合材料圆管的轴向准静态压缩试验, 分析了编织复合材料圆管的压缩破坏机理和吸能特性, 并探讨了编织参数对吸能特性的影响。试验中观察到4种破坏模式: 分瓣破坏、 局部屈曲、 块状断裂和突发破坏。在纤维体积分数相同的情况下, 随着编织层数的增加和编织角的减小, 圆管的吸能能力有所提高。二维三向编织复合材料圆管是一种较好的吸能材料, 具有较高的单位质量吸能特性。      

波纹腹板增强泡沫夹芯复合材料结构准静态压缩吸能特性

随着车船运输量与日俱增,由此引发的车船撞击结构物的事故频发,造成严重的生命财产损失与结构破坏,亟需为桥梁等结构物设置防护吸能装置。该文提出了一种新型波纹腹板增强泡沫夹芯复合材料吸能结构。该复合结构以聚氨酯泡沫为芯材,玻璃纤维增强复合材料(Glass fiber reinforced polymer,简称GFRP)为面板,在波纹型泡沫的间隙铺设双轴向玻璃纤维布,利用真空导入工艺成型。通过波纹腹板增强泡沫夹芯复合材料结构的准静态压缩试验,研究了波纹腹板与面板壁厚以及波长对夹芯结构破坏模式、承载能力以及吸能特性的影响。试验结果表明：腹板壁厚较大、波长较短的试件吸能效果最优。此外,对试验工况进行了有限元数值模拟,分析了腹板壁厚与泡沫密度因素对试件承载力的影响,为其在防撞领域的应用提供一定依据。     

碳纤维/环氧树脂复合材料缠绕接头拉伸失效机制

通过试验及数值模拟对碳纤维/环氧树脂复合材料缠绕接头轴向拉伸失效机制进行研究。基于ABAQUS有限元软件,通过连续介质损伤模型及内聚区模型,分别对碳纤维/环氧树脂复合材料缠绕接头各部件及界面进行模拟,编写用户自定义材料子程序(UMAT),建立复合材料的渐进损伤模型,最终得到碳纤维/环氧树脂复合材料缠绕接头的应力分布和载荷-位移曲线,并与试验结果对比确定结构的失效机制。结果表明:有限元分析所得碳纤维/环氧树脂复合材料缠绕接头损伤部位及失效模式与试验吻合,失效载荷与试验值相差较小,证明仿真分析方法的有效性。通过对比失效模式发现,拉伸载荷作用下,链环是主承力部件,其弧形端部是应力集中处,纤维断裂即从此处开始发生并向外扩展,导致链环断裂及整体结构破坏。      

Z 向增强泡沫夹芯复合材料冲击损伤及冲击后压缩性能

基于热压罐成型工艺, 选择了树脂柱Z向增强泡沫芯材、碳纤维Z向增强泡沫芯材、Kevlar纤维缝纫增强泡沫芯材3种Z向增强复合材料结构, 对夹芯结构进行了低速冲击损伤和冲击后压缩(CAI)性能研究, 考察了不同Z向增强方式对冲击损伤面积和破坏模式的影响。结果表明, Z向增强对泡沫芯材产生了初始损伤, 其冲击后损伤面积大于未增强泡沫夹芯结构; 但Z向增强改变了夹芯结构的压缩破坏机制。通过选用合适的Z向增强材料和Z向增强参数, 能够提高夹芯结构的压缩强度和CAI强度。其中当增强材料为碳纤维, 增强参数为10 mm×10 mm时, 压缩强度提高了13%, CAI强度提高超过40%。     

泡沫铝夹层结构复合材料低速冲击性能

以泡沫铝为夹芯材料,玄武岩纤维(BF)和超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPE)复合材料为面板,制备夹层结构复合材料。研究纤维类型、铺层结构和芯材厚度对泡沫铝夹层结构复合材料冲击性能和损伤模式的影响规律,并与铝蜂窝夹层结构复合材料性能进行对比分析。结果表明:BF/泡沫铝夹层结构比UHMWPE/泡沫铝夹层结构具有更大的冲击破坏载荷,但冲击位移和吸收能量较小。BF和UHMWPE两种纤维的分层混杂设计比叠加混杂具有更高的冲击破坏载荷和吸收能量。随着泡沫铝厚度的增加,夹层结构复合材料的冲击破坏载荷降低,破坏吸收能量增大。泡沫铝夹层结构比铝蜂窝夹层结构具有更高的冲击破坏载荷,但冲击破坏吸收能量较小;泡沫铝芯材以冲击部位的碎裂为主要失效形式,铝蜂窝芯材整体压缩破坏明显。     

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%。      

泡沫铝填充薄壁铝合金多胞构件与单胞构件吸能性能研究

为研究泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构与单胞结构的吸能能力,该文基于有限元软件LS-DYNA建立了泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构与单胞结构的数值仿真。对经典薄壁圆管试验及泡沫铝填充薄壁圆管试验进行了数值模拟,分析表明该数值模型能够较好的模拟泡沫铝填充薄壁圆管在轴向冲击过程中的撞击力和变形发展。基于该模型对比研究了不同因素下泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构与单胞结构的轴向吸能特性,分析了其破坏模式、吸能机理和两者吸能效率。结果表明:在轴向冲击荷载作用下,泡沫铝填充薄壁铝合金的破坏模式为轴对称渐进折叠破坏模式,冲击力-位移曲线和变形模态图显示其变形过程分为3个阶段:弹性阶段、平台阶段和强化阶段。当冲击压缩距离为构件高度的80%时,7种不同参数下的泡沫铝填充薄壁铝合金多胞结构的吸能效率明显高于7种单胞结构,吸收的能量E和比吸能SEA都提高了50%以上,是一种优秀的吸能构件,可广泛应用于防护工程中。     

碳纤维增强聚合物复合材料方形蜂窝夹层结构水下爆炸动态响应数值模拟

基于ABAQUS有限元仿真软件,建立了不同夹芯相对密度的碳纤维增强聚合物（Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP）复合材料方形蜂窝夹层结构在水中爆炸冲击波载荷作用下的仿真模型,分析了结构的变形过程、夹芯的压缩特性及结构的失效及破坏情况。数值模拟结果表明,CFRP复合材料蜂窝夹芯压缩量在前面板速度降至与后面板相同时达到最大; CFRP复合材料蜂窝夹芯的最大压缩量随着初始压力的增大呈先缓慢增大后快速增大的趋势,其增大趋势在夹芯接近完全压缩时又趋于缓慢; CFRP复合材料夹层结构失效随夹芯相对密度和初始压力的变化呈现不同的模式,且其防护性能优于等重的层合结构。研究结果可以为复合材料夹层结构在水中冲击波载荷防护中的应用提供参考。      

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。     

纤维金属层板低速冲击试验和数值仿真

为开展纤维金属层板（FML）低速冲击有限元数值仿真研究,改进了传统的连续损伤力学（CDM）模型,然后对FML落锤低速冲击试验进行数值仿真,并与实验结果进行对比验证。分别采用5.11 J 和10.33 J冲击能量对FML进行落锤低速冲击试验,得到冲击载荷、位移和能量时程曲线,分析FML的动态响应和失效模式。建立了考虑塑性应变、压缩刚度衰减特征和纤维拉伸断裂损伤的新CDM模型,描述S2-玻璃纤维/环氧树脂（S2-galss/epoxy）复合材料的损伤本构,并编写VUMAT子程序,通过ABAQUS/Explicit求解器对FML落锤冲击试验进行数值仿真。研究结果表明：低能量冲击条件下,FML背面主要为鼓包和裂纹等失效模式,位移峰值随冲击能量的提高而增加,冲击载荷峰值在穿透前也随冲击能量的提高而增加;采用改进的CDM模型描述FML中S2-galss/epoxy复合材料铺层后,有限元数值计算可以较好地预测FML低速冲击载荷下的动态响应;有限元数值仿真结果表明,FML中第2层复合材料铺层发生的纤维断裂损伤比第1层的更严重。     

Sandwich structures with textile-reinforced composite foldcores under impact loads

The mechanical behaviour of composite sandwich structures with textile-reinforced composite foldcores, which are produced by folding prepreg sheets to three-dimensional zigzag structures, is evaluated under compression, shear and impact loads. While foldcores made of woven aramid fibres are characterised by a rather ductile behaviour, carbon foldcores with their brittle nature absorb energy by crushing, showing extremely high weight-specific stiffness and strength properties. The impact damage under low and high velocity impact loads tends to be very localised. In addition to regular single-core sandwich structures, a dual-core configuration with two foldcores is also investigated, showing the potential of a two-phase energy absorption behaviour. In addition to experimental testing, finite element models for impact simulations with LS-DYNA have been developed. Despite the high degree of complexity of the models due to the various skin and core failure modes that have to be covered, the results correlate well with test data, allowing for efficient parameter studies or detailed evaluations of damage patterns and energy absorption mechanisms.     

复合材料雷达罩耐鸟撞和电磁性能综合优化设计

对蜂窝夹芯复合材料雷达罩进行耐鸟撞优化设计以及耐鸟撞和电磁性能综合优化设计,优化设计变量是雷达罩分段后的总厚度和比例等,耐撞性优化目标是最大限度的减小雷达罩的损伤面积和保护雷达罩内的设备安全,体现在数值计算中减小雷达罩的失效单元数和鸟体的剩余动能;耐鸟撞和电磁性能的综合优化目标除满足以上目标外,也要求使电磁参数指标达到最优。优化软件中集成了显式动力分析软件LS-DYNA和电磁分析软件FEKO,采用了适合于复合材料壳单元冲击损伤的Chang-Chang模型。某算例的优化结果表明：合理的优化设置可以实现蜂窝夹芯复合材料雷达罩的耐鸟撞和电磁性能优化要求,并提高工程设计效率。     

纸蜂窝夹芯复合板材静态缓冲性能研究

目的为了新型纸蜂窝夹芯复合板材在运输包装中的推广应用,对新型泡状纸蜂窝夹芯复合板和纸蜂窝夹芯复合平板的缓冲性能和吸能特性进行研究。方法主要通过静态压缩实验,研究不同芯高的纸蜂窝结构类板材的应力-应变曲线、总能量吸收图、单位体积能量吸收图和缓冲系数-应变曲线,分析结构和芯高对板材静态压缩性能的影响。结果数据表明同种芯高的板材,纸蜂窝夹芯复合平板的应力峰值稍高;纸蜂窝夹芯复合平板的能量吸收、单位体积能量吸收最好;泡状纸蜂窝夹芯板由于泡结构的作用,缓冲性能大大增强。结论纸蜂窝夹芯复合平板的平压强度最好,而泡状纸蜂窝夹芯复合板的缓冲性能优于同等结构的蜂窝纸板,2种板材都有很好的应用前景。     

Finite element modelling of the progressive crushing of braided composite tubes under axial impact

Composite tubular structures are of interest as viable energy absorbing components in vehicular front rail structures to improve crashworthiness. Desirable tools in designing such structures are models capable of simulating damage growth in composite materials. Our model (CODAM for COmposite DAMage), which is a continuum damage mechanics based model for composite materials with physically based inputs, has shown promise in predicting damage evolution and failure in composites. In this study, the model is used to simulate the damage propagation, failure morphology and energy absorption in triaxially braided composite tubes under axial compression. The model parameters are based on results from standard and specialized material testing and a crack band scaling law is used to minimize mesh sensitivity (or lack of objectivity) of the numerical results. Axial crushing of two-ply and four-ply square tubes with and without the presence of an external plug initiator are simulated in LS-DYNA. Refinements over previous attempts by the authors include the addition of a pre-defined debris wedge, a distinguishing feature in tubes displaying a splaying mode of failure, and representation of delamination using a tiebreak contact interface that allows energy absorption through the un-tying process. It is shown that the model adequately predicts the failure characteristics and energy absorption of the crushing events. Using numerical simulations, the process of damage progression is investigated in detail and energy absorptions in different damage mechanisms are presented quantitatively.