复合材料帽型加筋板界面应力与失效模拟

基于内聚力模型,采用界面单元模拟筋条和蒙皮之间的粘接界面,建立了复合材料帽型加筋板结构的有限元模型,探究了复合材料帽型加筋板在四点弯曲载荷作用下的界面应力和脱粘失效问题。结果表明,胶层脱粘是复合材料帽型加筋板的主要失效形式,脱粘失效主要受剪应力的影响,脱粘导致加筋板承载能力下降,加剧了整体结构的损伤。     

含损伤复合材料加筋板强度分析及修补研究

对含损伤复合材料加筋板进行了强度分析及修补研究。建立了复合材料层合加筋壁板的有限元分析模型,该模型采用界面单元以有效模拟筋条和壁板之间的连接界面及层板分层界面,连接界面和复合材料层板分别采用Quads和Hashin失效准则作为失效判据,引入材料刚度退化模型,采用非线性有限元方法,研究了复合材料加筋壁板在压缩载荷下的破坏过程。建立了筋条脱粘面积、层板分层面积与结构承载能力之间的关系,对不同损伤加筋板进行了修补研究,研究结果可为合理制定复合材料构件缺陷验收标准和结构修理容限提供分析依据。     

含预置分层复合材料层合板低速冲击损伤分析

以T300/QY8911碳纤维复合材料层合板为研究对象，利用三维Hashin失效准则对层内损伤进行预测，引入Cohesive界面单元模拟层间分层破坏，使用Camanho刚度退化准则确定材料参数退化方案，并编写了用户材料子程序Vumat，利用ABAQUS软件对预置不同分层损伤复合材料层合板低速冲击过程进行了数值仿真模拟。在冲击载荷作用下研究层合板的动力学响应，得到不同预置分层对层合板总分层损伤面积的影响，同时分析了冲击过程中冲击点位移随时间变化的规律。结果表明：预置分层位置离层合板中间层越远，层合板抵抗冲击承载能力越弱。预置分层的分层数目越多，层合板的刚度越低，层合板抵抗冲击承载能力越弱。在预置分层的两侧，层间分层损伤面积呈塔状分布。含预置分层层合板受到冲击时，预置分层对分层损伤的扩展具有一定的抑制作用。     

金属基聚合物复合材料短纤维桥接界面强化机理

针对金属基聚合物复合材料易诱发界面剥离损伤失效的共性问题,研究了通过多层复合组装注射成型,在聚合物复合层与粘接层界面形成短纤维桥接,实现复合界面强化。基于内聚力剥离损伤模型,构建了短纤维桥接强化界面剥离裂纹扩展断裂失效过程的模拟仿真技术,模拟建立了界面剥离裂纹快速失稳扩展断裂损伤失效临界载荷—桥接纤维特性—界面剥离断裂韧性（损伤启裂应力T₀和临界应变能释放率G_c）的协同关联理论,诠释了短纤维桥接界面强化机理,提出了预防短纤维桥接强化界面诱发剥离裂纹快速失稳扩展失效的设计准则。结果表明,当桥接纤维密度为20根/mm²,可使其临界载荷增加55.9 %,临界载荷受控于桥接纤维密度、初始预裂纹面积、损伤启裂应力和临界应变能释放率,且与桥接纤维密度、损伤启裂应力和临界应变能释放率呈正关联关系,而与初始预裂纹面积呈负关联关系。     

基于渐进均匀化多尺度方法的CFR平纹机织材料冲击后压缩损伤研究

本文针对CFR平纹机织材料层合板低速冲击及冲击后压缩(CAI)响应和损伤问题,提出了一种渐进均匀化多尺度分析方法。基于渐进均匀化方法分别算出微观纤维束和介观子胞的等效强度和刚度,在这个基础上,采用三维Hashin失效准则以及连续损伤力学模型来模拟CFR平纹机织材料层合板的损伤起始和演化,用内聚力模型来模拟层间损伤。研究结果表明:CFR平纹机织材料低速冲击后压缩的仿真结果和试验结果吻合较好,验证了渐进均匀化多尺度方法的可靠性和准确性;随着冲击能量的递增,层合板的剩余压缩强度呈非线性下降。纤维损伤和基体损伤在低速冲击载荷下,随着冲击能量的增加,冲击损伤面积增大。而CAI行为则相反,压缩损伤面积随着冲击能量的增大而减小。     

考虑界面层影响的三维机织复合材料单胞模型研究

三维机织复合材料具有较高的面外性能和抗冲击性能,已经被应用于航空发动机的风扇叶片和包容机匣。三维机织复合材料的破坏通常由纤维和基体间的界面开裂起始扩展到基体开裂,最后导致纤维失效。要模拟三维机织结构的真实损伤失效过程,必须考虑界面层的影响。常见的三维机织结构模拟方法把界面层的性能作为基体性能的一部分作均一化考虑,通过反向拟合实验数据来确定基体与界面层的平均性能。该方法的主要不足在于不同的机织结构拟合出的平均基体和界面层性能相差较大,无法用统一的材料参数比较准确地预测不同机织结构的失效模式和力学性能,预测能力有限。为更好地模拟界面失效的影响,有些研究在纤维束和基体之间手动引入一定厚度的界面层单元,但界面层单元的厚度牺牲了纤维的直径,且为连接纤维和基体相邻表面的不同网格,界面层单元需要很密集的网格,大大降低了计算效率。本研究通过自主开发的工具软件在纤维束和基体之间自动引入一层零厚度的界面单元,可以更真实地模拟三维机织结构的界面层破坏模式和对整体失效的影响。本文介绍了新方法的建模思路并研究了有限厚度界面层和零厚度界面层中的参数变化对预测结果的影响。研究了不同界面处理方法对单胞性能预测结果的影响,比较了不同处理方法的优缺点。     

复合材料L型接头的损伤与破坏模式研究

建立了渐进损伤模型模拟接头失效,模型中采用改进的Hashin损伤准则及Apalak刚度退化模拟L筋条及蒙皮的损伤和渐进失效,胶层失效通过内聚力单元进行模拟,并预估L型接头的最终破坏载荷。结果表明:建立的渐进失效模型可以较准确地模拟L型接头的拉伸破坏过程,L型接头的失效主要包括胶层的开裂、填充区底部基体的拉伸破坏和蒙皮层的分层破坏。     

含初始脱粘缺陷复合材料加筋壁板渐进压溃过程的数值模拟

建立了预测含初始脱粘缺陷复合材料加筋壁板渐进压溃响应的数值分析模型。该模型综合考虑了复合材料层合板的纤维失效、基体失效和纤维-基体剪切失效三种典型的面内损伤模式,并通过编写用户自定义材料子程序VUMAT实现面内失效类型的判断和相应材料性能的折减;在壁板和筋条连接界面应用虚裂纹闭合技术(VCCT)计算层间裂纹前缘的应变能释放率,并结合B-K混合模式准则控制缺陷的起裂以模拟脱粘的扩展演化过程;采用显式动力学方法准静态分析结构在压缩载荷下的屈曲、后屈曲直至最终压溃的响应过程。数值分析结果与文献试验、数值结果吻合良好,验证了模型的合理性和有效性,并详细研究了复合材料脱粘加筋壁板的损伤演化过程和渐进压溃行为。     

内聚力模型参数对不同应力状态下粘接接头失效的影响

内聚力模型参数是影响粘接接头失效仿真分析的主要因素。本文基于内聚力单元建立碳纤维增强基复合材料(CFRP)/铝合金单搭接接头和对接接头的仿真分析模型,并通过试验验证其仿真精度。选取了内聚力单元的六个参数,即杨氏/剪切模量、模式Ⅰ/Ⅱ失效强度和模式Ⅰ/Ⅱ断裂韧性,采用单因素试验方法和正交试验方法设计试验方案,研究了内聚力单元参数对应力状态和失效载荷的影响规律。研究结果表明:内聚力模型单一参数对单搭接接头和对接接头失效载荷的影响呈近似线性关系;单搭接接头的失效载荷主要受模式Ⅰ断裂韧性和模式Ⅱ失效强度影响,对接接头的失效载荷主要受模式Ⅰ失效强度和模式Ⅰ断裂韧性影响;不同内聚力模型参数组合对失效载荷的影响存在一定的耦合作用。     

铺层顺序及补片偏转对挖补修理层合板低速冲击性能的影响

根据试验研究的结果建立了挖补修理后碳纤维复合材料层合板低速冲击性能分析有限元模型,并对低速冲击响应及挖补板的冲击损伤进行了分析,理论计算与试验结果吻合良好。在此基础上,就母板与补片铺层顺序以及补片偏转对挖补板低速冲击性能的影响进行了研究,结果表明:补片铺层顺序的改变对冲击载荷响应的影响很小,但对表面及内部分层损伤面积和形状的影响却较大;补片偏转5°时,最大冲击载荷提前出现并且显著降低,分层损伤面积变化不大,分层损伤区域长轴方向向着补片偏转方向偏转。     

夹芯复合材料T型连接结构悬臂弯曲强度特性分析

针对夹芯复合材料T型连接结构,建立了有限元模型,模拟其在悬臂弯曲位移载荷下损伤产生、扩展及失效的过程,进行了悬臂弯曲试验验证模拟结果,进行了结构优化分析。试验结果表明:初始损伤产生时的位移为30 mm~32 mm,对应载荷为7.5 k N~7.7 k N,损伤产生后结构刚度降低,随着位移增加,承载力持续上升,失效强度较初始损伤强度提高了41%~55%;计算结果与试验结果相吻合,且表明初始损伤为复合材料压缩失效,产生于隔板下面板与增强区连接处,随着位移载荷的增加,损伤面积增大最终导致整体结构失效;优化结果表明,提高隔板下面板和芯材厚度,可降低隔板下面板的最大应力和失效因子,缩小上下面板的失效因子差,充分发挥结构性能。     

CFRP层合板冲击后压缩失效分析数值模拟

复合材料层合板的损伤容限是复合材料结构设计的关键因素。针对碳纤维增强复合材料(CFRP)层合板低速冲击损伤和压缩破坏问题,本文基于连续损伤力学和粘结单元模型,在ABAQUS中对两种不同冲击能量下的层合板进行了低速冲击和冲击后压缩仿真分析,并对层内和层间损伤进行了研究,分析了层合板的冲击损伤与压缩失效行为,通过与试验结果进行对比,验证了该模型的有效性。研究结果表明:冲击损伤对层合板的剩余压缩强度有着重要影响,试件的破坏开始于冲击损伤区域,并逐渐扩展到层合板的边缘,压缩力快速下降,层合板最终失效。     

纤维复合材料层合板在四点弯曲载荷下的损伤分析

实验测试了T300/7901碳纤维复合材料[0/90]_(8s)层合板在四点弯曲静载下的载荷-位移响应及破坏载荷。基于桥联模型,在商用软件Abaqus/CAE中实现对该层合板在四点弯曲静载条件下的层内以及层间损伤破坏进行模拟分析。分析方法分为四个部分:仅利用组分材料数据,基于桥联模型对单向复合材料层的本构关系建模;利用考虑三维应力的Hashin判据预报复合材料层的纤维拉伸、压缩损伤及基体拉伸、压缩损伤;出现组分材料损伤后对相应材料点采用Camando方法进行刚度退化;在复合材料单层中间插入薄的纯树脂层,通过树脂层的损伤破坏分析层间分层。在Abaqus/Explicit模块中,利用子程序VUMAT完成以上材料建模分析;将模拟结果与实验数据进行对比。结果表明,模拟得到的载荷-位移曲线及破坏载荷与实验结果吻合很好,所提出的材料模型能有效预报纤维复合材料层合板的层内及层间损伤破坏情况。     

增韧复合材料的G_Ⅰ断裂韧性有限元模拟

采用Abaqus有限元仿真软件建立二维壳单元模型以及内聚力模型,运用双线性本构模型以及二次名义应力准则,对以聚酰亚胺为增韧层的复合材料进行GⅠ断裂韧性模拟,同时通过改变法相刚度、能量释放率等参数探讨对复合材料性质的影响。结果表明,模拟结果与实际情况在曲线趋势上大体一致,随着能量释放率的增大,层间韧性也随之增大,主要是纤维的抽拔、断裂等塑性屈曲对能量的吸收所致。而法相刚度对于层间失效后的脆性断裂影响显著,较大的法相刚度会导致载荷-位移曲线上下波动较大,呈现出层间脆性特性。     

考虑厚度方向压缩影响的复合材料加筋壁板筋条-蒙皮界面失效表征方法

筋条-蒙皮界面失效对复合材料加筋壁板在后屈曲阶段的承载能力具有重大影响。研究表明,厚度方向的压缩会对复合材料加筋壁板的筋条-蒙皮界面性能产生影响。在前人研究的基础上,本文以数学方法推导出一种考虑厚度方向影响筋条-蒙皮界面失效表征方程。建立单元表征试验的有限元模型,利用虚拟试验确定了各项待定系数,给出了失效包面。该方法可用于指导单元表征试验的实施。     

含不同类型分层缺陷层合板的屈曲失效性能

对含分层缺陷的层合板材料在压缩载荷下进行分层屈曲试验,研究中央分层及边缘分层两种缺陷下的屈曲失效模式,同时结合厚度、分层深度、位置等因素,对两种分层类型进行综合对比分析。结合有限元方法,运用界面元研究了层间的分层缺陷的损伤行为,有限元模拟得到了与实验吻合度较好的数值结果,并进一步研究了分层尺寸及试样尺寸效应的影响。     

CFRP汽车储气罐低速冲击损伤特性分析

将CFRP汽车储气罐的低速冲击过程作为研究对象,建立了CFRP汽车储气罐冲击损伤多尺度分析有限元模型。在宏观层面分析了储气罐工况、冲头质量、冲击速度及碳纤维增强树脂基复合材料中碳纤维的缠绕角度等因素,对储气罐冲击损伤特性的影响。在微观层面,研究了纤维增强相、树脂基体相及界面相等细观组分材料,对复合材料RVE模型的影响。结果表明,背离冲击一侧的复合材料损伤面积大于受冲击侧,损伤的形貌呈不规则分布。复合材料拉伸损伤起始单元的数量约为压缩损伤起始单元数的1/5。复合材料中,当碳纤维[90/90/90/90/90]环向缠绕时,储气罐抗冲击性能较好。复合材料中碳纤维含量约为55%时,CFRP汽车储气罐抗冲击性较优。界面厚度的增加,提高了复合材料的承载能力。     

含有孔洞缺陷的复合材料粘结层的失效表征

复合材料的层间开裂是复合材料破坏失效的主要形式。复合材料中粘结层的粘结强度对材料整体强度具有直接影响,而实际的工业生产中粘结层会不可避免地存在孔洞缺陷。通过有限元仿真、双悬臂梁(DCB)拉伸实验及内聚力参数反演辨识等工作对含有孔洞的粘结界面的失效表征进行了研究。对比了双线性内聚力模型和多线段插值型内聚力模型在当前问题的应用情况。其结果表明,多线段插值型内聚力模型的模拟结果更好,更适用于复合材料层间开裂的失效预测。     

太阳能电池与层合板胶接拉伸性能的数值模拟

对用于太阳能飞机蒙皮的柔性薄膜太阳能电池与碳纤维复合材料层合板胶接结构,进行了静力拉伸性能的数值模拟。分别用内聚力模型和弹塑型材料模型描述了粘接层与太阳能电池的力学行为;用实现层合UMAT板的渐进失效,研究了粘接材料性能对太阳能电池损伤的影响。结果表明,界面开胶和电池组件塑型损伤先于整体结构破坏,粘接材料性能对太阳能电池损伤有显著影响。     

复合材料层合板冲击损伤剩余强度分析

民用飞机复合材料结构设计时必须考虑复合材料层合板的冲击损伤.通过试验测量和数值模拟两种方法分析碳纤维增强复合材料层合板低速冲击损伤后的剩余压缩强度,试验采用标准试验规范进行测量,数值模拟分析采用层内渐进损伤模型和层间Cohesive模型模拟分析层合板冲击损伤以及剩余压缩强度.数值模拟与试验结果对比表明,该数值模拟分析方...