复合材料层板分层伴以横向裂纹扩展的层间应力分析

本文首次提出了分层伴以横向裂纹扩展的三维有限元模型，对典型铺设的［０２／±４５２／９０２］５碳／环氧复合材料由于其分层伴以横向裂纹损伤产生的层间应力进行了分析。计算结果表明层间裂纹首先在９０°层中部出现并开裂至相邻界面处而产生横向裂纹，横向裂纹的出现引起局部分层接三角形状扩展，并指出分层损伤过程是一个主导性的稳定扩展过程，也是导致刚度下降的主要因素。数值计算结果与试验结果是吻合的。     

CALL材料的动态力学性能和界面层的影响

本对碳纤维增强环氧／铝层间混杂复合材料（ＣＡＬＬ）进行了不同应变率下的动态力学性能测试，分析了不同变率和界面性能的改善对混杂效应的影响。实验发现：在所有应变率下，ＣＡＬＬ材料都存在明显的正混杂效应。在准静态试验中，应力－应变曲线上没有明显的屈服点，其中呈现脆性断裂，而在动态试验时存在一个明显的屈服点，呈现韧性断裂，动态失稳应变是准静态的３～４倍，并讨论了其破坏机理。此外，将固化时体积不收缩的共聚     

多尺度方法预测复合材料层板裂纹扩展

为了研究复合材料层板在细观和宏观尺度上的损伤分布,文中基于高精度通用单胞细观力学模型,发展了一种多尺度分析方法．该方法只需纤维和基体的材料属性、强度参数及纤维体积含量,而无需复合材料层合板的弹性参数和强度参数．文中使用该方法分析了复合材料结构的宏细观上的应力应变场;结合多尺度损伤模型,研究了复合材料的细观损伤以及宏观的裂纹扩展;通过二次开发ANSYS／LS-DYNA软件,文中将高精度通用单胞细观力学模型编译到用户自定义材料子程序中;使用这种方法分析了开孔层板轴向拉伸条件下的各个分层的应力分布、组分失效模式和裂纹扩展．并将计算结果与实验结果对比,结果表明: 数值模拟随时间变化的应力曲线与实验所得的曲线能较好的吻合; 预测的裂纹扩展与实验结果比较吻合．     

复合材料层板动态力学性能和本构关系研究

在不同温度环境下,利用ＭＴＳ材料试验机,在中等应速率（１／ｓ）下,对玻璃布－环氧层板的动态力学性能进行了实验研究,给出了一种较为可靠的复合材料拉伸试样设计方法,获得了杨氏模量,拉伸强度和泊松比等力学参数。实验结果表明,玻璃布－环氧层板具有明显的应变率相关和温度效应。采用Ｊｏｈｎｓｏｎ提出的温度、应变率相关的本构模型,根据实验数据拟合了玻璃布－环氧层板材料的本构关系,分析表明该本构关系可以很好地描述     

缝合铺层碳/环氧复合材料动态压缩性能实验研究

采用分离式霍普金森压杆(SHPB)动态测试系统对环氧树脂E-51和缝合铺层复合材料厚度方向的压缩性能进行实验研究,得到了不同应变率下的压缩应力-应变关系和压缩强度,并通过冲击破坏形貌来探讨材料的动态压缩破坏模式.结果表明:环氧树脂E-51是应变率相关材料,但其应变率敏感程度并不高;缝合铺层碳/环氧复合材料厚度方向的应力-应变曲线对应变率是敏感的,随着应变率的增加,最大应力增大,应变率在900 s-1比应变率在350 s-1的压缩强度增加120%;破坏的主要原因是纤维和树脂的分离以及纤维之间产生相对位移形成微裂纹,随着载荷的增加和应力集中的作用,促使裂纹扩展导致材料破坏.     

复合材料混合型层间断裂韧性及失效判据

提出了一种新的混合型分层试验方法，用于测定复合材料层压板Ⅰ型和Ⅱ型混合的层问断裂韧性．在预制的分层中放置铰链，形成双悬壁梁Ⅰ型加载方式，再用三点挠曲试验增加Ⅱ型载荷．当分层扩展时，混合型临界应变能释放率分量ＧⅠｍ和ＧⅡｍ随着变化，ＧⅠ减小ＧⅡｍ增大．在实验基础上，建立了混合型分层失效判据，为复合材料结构设计提供依据．     

关于各向异性纤维复合材料板Ⅲ型，混合型裂纹尖端的应变能释放率

研究各向异性纤维复合材料板的断裂问题．首先给出了Ⅰ、Ⅱ混合型，Ⅲ型裂纹尖端的应力与位移公式的极坐标形式．其次将应力与位移代入应变能释放率的基本公式，推出了Ⅰ、Ⅱ混合型，Ⅲ型以及Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ混合型裂纹尖端应变能释放率的具体计算公式。     

含分层复合材料层合板的高阶有限元分析方法

本文以勒让德多项式逼近位移场沿板厚度方向的变化规律，考虑了含分层损伤复合材料层合板分层区域的横向剪应力分布，对层合板分层区域的刚度进行了修正，并在此基础上建立了分层损伤复合材料层合板的高阶有限元模型，编制了相应的计算程序，分析了分层损伤对复合材料层合板合板弯曲变形和应力的影响。     

LC9材料疲劳特性的测试及其寿命预测方法探讨

对ＬＣ９－ＣＳ棒材进行轴向应变控制疲劳试验，较全面地测试出材料的应变疲劳特性，包括稳态应力应变曲线，瞬态应力应变曲线，Ｍａｎｓｏｎ－Ｃｏｆｆｉｎ公式描述的εａ－Ｎｆ曲线以及当量应变寿命（εｅｑ－Ｎｆ）曲线。并对上述特性曲线构成的不同寿命预测方法与试验进行了深入比较，结果表明，瞬态应力应变曲线和εｅｑ－Ｎｆ曲线能较好地反映材料的疲劳特性。并能兼顾应变疲劳和应力疲劳分析的需要。     

关于各向异性纤维复合材料板Ⅰ型，Ⅱ型裂纹尖端的应变能释放率

研究各向异性纤维复合材料板的断裂问题，首先分两种情况给出了Ⅰ型，Ⅱ型裂纹尖端的应力与位移公式．其次将应力与位移代入应变能释放率的基本公式，推出了Ⅰ型，Ⅱ型裂纹尖端应变能释放率的具体计算公式。     

铺层次序对于碳／玻璃混杂复合材料破坏过程的影响

本文使用有限元方法模拟了三种碳/玻璃编织状混杂复合材料层合板的破坏过程，三种层合板有相同的碳纤维和玻璃纤维的体积比和重量比。层数比相同铺层次序不同，假设碳纤维层首先破坏，计算了破坏处周围的最大拉伸应力、拉伸应变和层间剪切应力，从应力、应变分析和能量分析的观点探讨了铺层次序对于混杂复合材料破坏过程的影响，结果表明：铺层次序影响着脱层破坏的出现，三种分析方法可以得到一致的结论，并与试样断口分析的结果相吻合。     

复合材料剪切板的裂纹扩展与剩余强度

对剪切载荷下带中心裂纹层板的损伤情况、宏观裂纹的扩展及剩余强度问题进行了计算和分析,着重探讨了裂尖铺层的破坏形式、宏观裂纹扩展及剩余强度三者的特点及相互关系。对两种材料Ｔ３００／６４８Ｅ和Ｔ３００／ＱＹ８９１１进行了比较,发现裂纹的扩展不仅与铺层形式有关,还与材料有关,且有明显规律可循。另外,层板铺层不同,裂尖损伤的累积过程也不同。裂尖铺层的２向（垂直于纤维向）破坏和面内剪切破坏尤其是前者对层板的剩余强度影响较大。所得结论得到了实验的验证。     

层合效应与疲劳寿命

通过对T300／QY8911碳纤维／双马复合材料三类多向层压板共5种铺层方式板条的试验研究和理论分析,揭示出不同铺设相邻单向层之间良好的粘合是确保多向层板具有高抗疲劳特性的基础,但自由边区域高的层间应力将引起分层发生与扩展,它将严重降低层板的疲劳寿命。当主要受力方向确定时,层间应力的大小与铺设顺序有密切关系,合理设计铺设顺序是降低层间应力十分有效的措施。     

含孔复合材料层合板失效准则研究

基于最大应力准则、Hashin准则、Hill-蔡强度理论、Ye-分层准则、Chang F K准则等失效准则,提出了一个新的预测含孔层合板的失效准则-混合准则。基于该准则和Hashin三维失效准则及相应的材料性能退化模型,建立适用于含孔复合材料层合板的强度分析方法。采用该方法分别对T300/BMP316和T300/KH-304两种材料的含孔层合板拉伸强度进行预测,与试验结果对比表明：T300/BMP316含孔层合板和T300/KH-304含孔层合板静强度的预测值与试验值的最大误差分别为6.28%和2.32%,初步证明了该方法的有效性与合理性,及混合失效准则的优越性。     

阶梯形修理复合材料层合板拉伸性能研究

为获得不同参数对阶梯形修理结构拉伸力学性能的影响,本文开展了试验研究.针对铺层数目为8层的复合材料层合板,分别研究了阶梯数目为2个、4个和8个的无附加层的情况.另外针对4个阶梯的情况,研究了附加层数目的影响.作为对比,对相同修理区大小情况下的斜切形挖补修理结构也进行了测试.结果显示,对阶梯形修理结构,拉伸强度随阶梯数目的增加而增加,当阶梯数目由2个增加到8个时,修理接头的强度恢复率由36%增加到67%.通过引入附加层能够有效的提高修理结构的强度,但随着附加层的引入以及附加层数目的增加,修理结构强度的分散性变大.阶梯形修理和斜切形挖补修理的对比显示,相同修理面积的情况下,由于斜切形挖补修理能够提供更加均匀的胶膜应力分布,斜切形挖补的修理效率要高于阶梯形修理,相比4个阶梯的阶梯形修理,斜切形挖补修理强度能够提高25%.最后,根据修理接头表面各点的应力/应变分布规律,获得了拉伸载荷作用下修理接头的失效机理和失效过程.     

Fatigue life prediction and experiment research for composite laminates with circular hole

Based on the fatigue prediction model of exponential function and Whitney-Nuismer(WN) criterion of static strength for the composite material laminate with a circular hole, the stress correct factor (β) was put forward and a new fatigue prediction model for composite material laminate was set up. T300/KH304, which is recently studied and is a high capability composite material, was used as the raw material. In order to gain the factor β, the fatigue experiments of the laminates with holes in different diameters and the same ratio of width to diameter were conducted. The fatigue analysis and tests of the laminates with a hole 5 mm in diameter are carried out at different stress levels, and the results meet the engineering requirement. The simple, prompt and practical method is provided for the prediction of S-N curve of composite laminate with a circular hole.     

复合材料层板的层间应力分析及其应用

本文用作者研制的准三维问题的有限元程序对几种典型的复合材料层板进行了详细的层间应力分析,并据此预报了复合材料层板的脱层位置,发现与实验测量的脱层位置相一致。     

PEEK/AS4复合材料微观结构表征

用ICI生产的PEEK／AS4复合材料为样品,采用扫描电镜、光学显微镜和超声检测技术,结合化学浸湿技术,测定了复合材料的微观结构,包括基体树脂聚集态结构和增强材料碳纤维的排列结构,纤维／基体的界面结构和复合材料的物理性能．实验结果表明:该复合材料中碳纤维的体积分数为60％,平均直径为6．9μm,碳纤维排列均匀．碳纤维规整的排列在复合材料中,加强了复合材料中纤维的取向性能,决定了该复合材料的各向异性特征．聚醚醚酮树脂在复合材料中呈现典型的球状结构,这种晶体结构发生在树脂相或纤维表面,导致聚醚醚酮基体和碳纤维之间存在良好的界面结合力．在预浸层模压制成复合材料片材时,可以观察到在邻层之间有一个树脂密度较大的区域,这种现象在(±45)4s复合材料中尤为明显．这些树脂区域在复合材料中可以吸收能量,对复合材料的抗疲劳性能具有很大影响．     

Delamination analysis of woven fabrication laminates using cohesive zone model

A new test method was proposed to evaluate the cohesive strength of composite laminates. Cohesive strength and the critical strain energy for Mode-II interlamiar fracture of E-glass/epoxy woven fabrication were determined from the single lap joint(SLJ) and end notch flexure(ENF) test, respectively. In order to verify their adequacy, a cohesive zone model simulation based on interface finite elements was performed. A closed form solution for determination of the penalty stiffness parameter was proposed. Modified form of Park-Paulino-Roesler traction-separation law was provided and conducted altogether with trapezoidal and bilinear mixed-mode damage models to simulate damage using Abaqus cohesive elements. It was observed that accurate damage prediction and numerical convergence were obtained using the proposed penalty stiffness. Comparison between three damage models reveals that good simulation of fracture process zone and delamination prediction were obtained using the modified PPR model as damage model. Cohesive zone length as a material property was determined. To ensure the sufficient dissipation of energy, it was recommended that at least 4 elements should span cohesive zone length.     

纤维金属层板成形极限测试的新试样设计

在拉深成形过程中,纤维金属层板常见的失效模式主要有起皱、纤维拉伸断裂以及界面分层.受金属拉深成形测试的启发,经研究,当纤维金属层板以纤维拉伸断裂与界面分层失效为主要的失效模式时,可以将纤维应变引入到成形极限图中.但是,由于用于拉深测试的传统金属条状试样形状会干扰纤维金属层板内纤维应变的计算,因此,本研究设计了一种新型切...