复合材料层板低速冲击后剩余压缩强度

对两种材料体系和铺层的复合材料层合板进行低速冲击后压缩强度试验 , 以研究低速冲击后层合板的压缩破坏机理。讨论了表面凹坑深度、 背面基体裂纹长度、 损伤面积以及剩余压缩强度与冲击能量的关系。在试验研究的基础上 , 建立了复合材料低速冲击后剩余强度估算的一种椭圆形弹性核模型。该模型将冲击损伤等效为一刚度折减的椭圆形弹性核 , 采用含任意椭圆核各向异性板杂交应力有限元分析含损伤层合板的应力应变状态 ,并应用点应力判据预测层板的压缩(或压、 剪)剩余强度。理论分析与试验结果对比表明 , 该模型简单有效。      

复合材料层合板低速冲击后压-压疲劳试验研究及寿命预报

进行了复合材料层合板低速冲击和冲击后压-压疲劳试验。在疲劳试验过程中详细测量了损伤扩展情况,获得了损伤扩展规律。将冲击损伤等效为一圆形开孔,应用含椭圆形夹杂的杂交应力单元分析含圆孔有限大板的应力分布,采用特征曲线和点应力判据相结合的方式并通过引入损伤扩展规律建立了含低速冲击损伤复合材料层板压-压疲劳寿命预测模型。通过与试验数据的对比,证明了该模型的有效性。同时,该模型还可预报在疲劳载荷下含冲击损伤层板的剩余压缩强度。     

缝合复合材料可用性--环境条件下层合板的冲击后压缩性能

为了解决缝合复合材料在航空航天结构中的应用问题,对国内生产的缝合/树脂膜渗透成型工艺复合材料层合板在三种不同环境条件下的低速冲击后压缩性能进行试验研究.结果表明,缝合改变了含冲击损伤层合板的压缩破坏机理,可以大幅度提高层合板在干态常温下的冲击后剩余压缩强度,但是对湿态高温下层合板的冲击后剩余压缩强度影响不大;缝合方向对冲击损伤面积和剩余压缩强度的影响较小,其中以0°缝合较为有利.     

平面编织复合材料层合板低速冲击后的拉伸性能

对两种不同铺层形式的平面编织复合材料层合板低速冲击后拉伸性能进行了实验研究,在此基础上建立了有限元损伤扩展仿真模拟。在所建立的有限元模型中,将低速冲击损伤等效为形状规则的软化夹杂,并针对两种铺层形式采用不同的损伤判据和模量衰减准则。研究结果表明:该有限元模拟结果与实验结果符合,说明该模型能够准确地预测低速冲击后平面编织复合材料层合板的损伤扩展规律和剩余拉伸强度;不同铺层形式的平面编织复合材料层合板在低速冲击后拉伸的损伤扩展规律不同;它们的冲击后拉伸强度降均>50%,在复合材料结构设计中应该受到重视。      

基于超弹性特性的SMA复合材料层合板低速冲击损伤数值模拟方法

基于ABAQUS有限元软件结合VC++6.0程序设计,建立了含不同铺层角度、不同排列密度形状记忆合金(SMA)纤维的复合材料层合板有限元模型。将基于Brinson本构模型的SMA分段线性超弹性模型以及判断复合材料层内失效的三维HASHIN失效准则编译至ABAQUS/VUMAT子程序,使用界面单元模拟复合材料层间区域,建立了SMA复合材料层合板的低速冲击损伤及冲击后剩余强度数值模拟方法。对比了不含SMA纤维层合板、含SMA纤维层合板、含普通金属丝层合板在不同冲击能量下的损伤响应。进一步分析了SMA纤维体积分数和直径变化对冲击响应的影响。冲击后剩余压缩强度模拟结果表明:冲击能量为16J时,含体积分数25%、直径0.5mm的SMA纤维层合板的冲击后剩余压缩强度相比不含SMA纤维层合板提高5.78%、相比含普通金属丝层合板提高4.69%。随着SMA纤维体积分数提高,层合板的抗低速冲击能力增强,当体积分数一定时,较细的(0.3mm)SMA纤维比粗的(0.6mm)SMA纤维对层合板的抗低速冲击能力增强效果更好。     

低速冲击后复合材料层合板的压缩破坏行为

对缝纫层合板和无缝纫层合板进行低速冲击后压缩破坏实验,以研究低速冲击后层合板的压缩破坏机理。采用C扫描、X射线、热揭层等技术对层合板内的损伤进行测量和对比。结果表明,界面不是很强的碳纤维增强复合材料层合板低速冲击后受压时,层合板非冲击面的子层屈曲及其扩展是导致层合板冲击后压缩强度下降的重要因素,而且子层屈曲主要是沿垂直载荷的方向(90°)扩展;对于准各向同性板,屈曲子层中与母层相邻的铺层的方向一般为90°。层合板的剩余压缩强度与板的冲击损伤面积无直接关系。      

2.5D机织复合材料冲击后剩余强度研究

本文主要对2.5D机织复合材料冲击后的剩余拉伸强度进行研究。采用落锤法预制冲击损伤,并进行剩余拉伸试验。用了基于层合板理论的软化夹杂法对冲击后试样进行刚度衰减的模拟,用有限元软件根据点应力破坏准则计算得到剩余强度,并与剩余拉伸试验结果进行比较,验证了模型的有效性。为便于对比,对平面机织斜纹布铺设的层合板进行了同种计算和实验,得到了在相同冲击能量下2.5D机织复合材料剩余拉伸强度衰减比例小于层合材料的结论,证明2.5D机织复合材料由于Z方向经纱的存在因而具有良好的抗冲击性。     

复合材料层合板冲击损伤及剩余强度研究进展

综述了受低速冲击后复合材料层合板的损伤研究进展,重点介绍了倍受复合材料工程结构设计师所关注的含损复合材料层合板的剩余拉伸及压缩强度问题,最后对有待于进一步研究的问题进行了展望.     

复合材料层合板准静态横压损伤及其压缩破坏研究

为了考察一种小试件CAI试验方法的有效性,本文作者对复合材料层合板的准静态横向压缩特性和损伤,以及损伤后的压缩破坏进行了试验研究,采用C扫描、热揭层等技术对层合板内的损伤进行测量,并将含准静态横压损伤层合板的剩余压缩强度与低速冲击后板的压缩强度进行了比较。结果表明:在横压过程中存在分层损伤起始门槛压缩载荷值或压入深度值,以及横压载荷极限值;小板试件各界面的分层面积沿厚度方向的分布和继后的压缩破坏形式等与SACMA的CAI试验标准的情况相异。     

聚氨酯涂层对复合材料层板冲击后压缩性能的影响

对聚氨酯喷涂复合材料层板进行反复低速冲击试验和冲击后压缩试验,研究了损伤程度、层板厚度和涂层厚度对聚氨酯喷涂复合材料层合板冲击后压缩强度的影响,并通过数字图像相关(DIC)检测压缩过程分析了不同损伤程度试样的破坏过程和破坏模式。结果表明:随着冲击次数的增加冲击后压缩强度存在拐点,随着层合板厚度的增加试样的冲击后压缩强度降低,随着涂层厚度的增加含聚氨酯的试样冲击后压缩强度明显提高;压缩破坏位置与损伤程度有关,试样的损伤程度不同其压缩破坏过程也不同。     

A prediction method for the compressive strength of impact damaged composite laminates

An analytic method for the prediction of the compressive strength of composite laminates containing impact damage has been developed. Using the characteristics of the impact damage detected by the ultrasonic time-of-flight C-scan technique, the state of the damage is modelled by an elliptical soft inclusion. The degradation of the elastic moduli of the material in the inclusion is determined by a sublaminate buckling analysis. The stress distribution in the laminate containing the inclusion with the reduced moduli is determined using a complex potential method and the stress results are used in conjunction with three failure criteria to predict the residual compressive strength. Compression-after-impact tests on flat laminates manufactured from the Toray T800H/ 3900-2 material have been conducted to produce experimental results for validating the analytical method. Good agreements between predicted residual compressive strengths and experimental results have been obtained.     

Predicting low velocity impact damage and Compression-After-Impact (CAI) behaviour of composite laminates

Low-velocity impact damage can drastically reduce the residual strength of a composite structure even when the damage is barely visible. The ability to computationally predict the extent of damage and compression-after-impact (CAI) strength of a composite structure can potentially lead to the exploration of a larger design space without incurring significant time and cost penalties. A high-fidelity three-dimensional composite damage model, to predict both low-velocity impact damage and CAI strength of composite laminates, has been developed and implemented as a user material subroutine in the commercial finite element package, ABAQUS/Explicit. The intralaminar damage model component accounts for physically-based tensile and compressive failure mechanisms, of the fibres and matrix, when subjected to a three-dimensional stress state. Cohesive behaviour was employed to model the interlaminar failure between plies with a bi-linear traction–separation law for capturing damage onset and subsequent damage evolution. The virtual tests, set up in ABAQUS/Explicit, were executed in three steps, one to capture the impact damage, the second to stabilize the specimen by imposing new boundary conditions required for compression testing, and the third to predict the CAI strength. The observed intralaminar damage features, delamination damage area as well as residual strength are discussed. It is shown that the predicted results for impact damage and CAI strength correlated well with experimental testing without the need of model calibration which is often required with other damage models.     

一种改进的内聚力损伤模型在复合材料层合板低速冲击损伤模拟中的应用

针对传统内聚力损伤模型(CZM)无法考虑层内裂纹对界面分层影响的缺点,提出了一种改进的适用于复合材料层合板低速冲击损伤模拟的CZM。通过对界面单元内聚力本构模型中的损伤起始准则进行修正,考虑了界面层相邻铺层内基体、纤维的损伤状态及应力分布对层间强度和分层扩展的影响。基于ABAQUS用户子程序VUMAT,结合本文模型及层合板失效判据,建立了模拟复合材料层合板在低速冲击作用下的渐进损伤过程的有限元模型,计算了不同铺层角度和材料属性的层合板在低速冲击作用下的损伤状态。通过数值模拟与试验结果的对比,验证了本文方法的精度及合理性。     

An engineering approach for predicting residual strength of carbon/epoxy laminates after impact and hygrothermal cycling

A semi-empirical analysis on residual compressive strength (RCS) of carbon/epoxy woven composite laminate was developed which included the damage effects caused by impact and hygrothermal cycling. Impact damage is modelled as a soft inclusion with an exponentially reduced stiffness and the stiffness is further reduced due to hygrothermal cycling. A complex variable method was used to determine the in-plane stress distribution near the impact-induced damage and point stress failure criterion is then used to predict the failure load. Based on the semi-empirical model, the RCS can be related to damage width, damage intensity, undamaged strength and a degradation factor due to hygrothermal cycling. The results from the analysis coincide reasonably well with the experimental data for the plain-woven fabric laminates.     

含分层损伤缝合复合材料层板的剩余压缩强度

基于渐进损伤方法,研究了含单脱层缝合复合材料层板在压缩载荷下的剩余强度。通过商用软件ABAQUS建立了含单脱层缝合复合材料层板剩余压缩强度计算模型,考虑了子层屈曲和分层扩展对剩余强度的影响。通过UMAT子程序实现了层板失效、层间失效和缝线失效的模拟。通过嵌入式杆单元结构模拟了缝线桥联作用及失效。采用Hashin准则及刚度折减法对纤维拉压、基体拉压失效进行了模拟。通过渐进损伤分析,揭示了缝合情况下含单脱层复合材料层板的失效机理,讨论了缝合参数对剩余压缩强度的影响。所预测的破坏模式和剩余强度结果与实验能较好地吻合。分析表明缝合可以明显提高含分层损伤复合材料层板的子层屈曲载荷,抑制分层扩展,并提高层板的剩余压缩强度。     

平面编织复合材料层压板低速冲击后的压缩失效

采用超声C扫描检测、断口分析、有限元分析等方法研究低速冲击损伤对G803/5224与G827/5224两种平面编织复合材料层压板失效行为的影响。结果表明,低速冲击后压缩载荷作用下,G803/5224层压板最终为剪切分层失效,G827/5224层压板最终为剪切屈曲失效,两种层压板低速冲击后压缩的失效模式与未受损伤层压板基本相同。建立了平面编织复合材料层压板的损伤扩展与失效模型,该模型的计算结果与试验结果吻合较好,可用于平面编织复合材料层压板的失效仿真。     

含分层复合材料层板的压缩性能

使用商用有限元软件建立了含分层复合材料层板的有限元模型,采用Hashin失效准则对层板内单元进行损伤判断,并编写程序对失效单元进行刚度折减,使用cohesive单元模拟层间区域,并对缺陷区域进行弱化处理,利用应力失效判据和能量释放准则判断层板内起始分层与分层的扩展。对完好以及含分层缺陷复合材料单向层板试验件进行压缩实验研究,实验结果给出了分层位置和尺寸及对材料压缩性能的影响。研究表明,有限元模拟结果与实验结果具有良好的一致性。