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。     

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。     

碳纤维编织复合材料层合板抗侵彻性能研究

通过弹道冲击实验开展了碳纤维编织复合材料层合板的抗侵彻性能研究，进行了动态响应分析和损伤模式分析。建立了基于Hashin失效和Yeh分层失效准则的渐进损伤模型，运用ABAQUS有限元软件模拟了碳纤维编织复合材料层合板的侵彻失效过程，采用Lambert-Jonas公式拟合了柱状弹侵彻层合板弹道极限曲线，对比分析了碳纤维编织复合材料层合板侵彻实验与数值模拟的弹道极限速度及损伤形貌。结果表明，层合板侵彻损伤模式主要为分层、纤维断裂和基体开裂失效，弹道极限速度数值模拟结果与实验结果吻合较好。     

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。      

碳纤维复合材料层合板低速冲击损伤应力分析

目的 为掌握碳纤维复合材料板在低速冲击载荷作用下的损伤规律,延缓失效破坏,对其冲击损伤的应力状态进行研究。方法 基于ABAQUS平台,建立碳纤维复合材料层合板低速冲击有限元模型,采用Hashin失效准则和VUMAT用户子程序,对碳纤维复合材料层合板的冲击过程进行数值模拟,同时考虑层合板层内与层间失效,以此来研究低速冲击条件下复合材料的损伤机理,分析冲击损伤过程中的应力变化趋势,讨论应力的分布状态。重点研究铺层角度及铺层距离冲头远近对应力的影响。结果 不同角度铺层的应力传播轨迹均沿着纤维方向和垂直于纤维方向同时扩展,应力均先增加至极限值而后迅速下降;铺层角度越大,板料的承载能力越弱,0°铺层的极限应力为1 432 MPa,而90°铺层的极限应力降至1 206 MPa;离冲头越远的铺层应力越小,达到峰值的时间更早且率先下降,说明远离冲头的铺层更早发生失效。结论 揭示了碳纤维层合板在低速冲击载荷作用下的应力状态及其对损伤的影响规律,能够为复合材料层合板零件设计提供参考。     

z-pin增韧复合材料层合板低速冲击损伤过程研究

从z-pin增韧复合材料层合板低速冲击实验出发,考虑了复合材料层合板在受低速冲击时的分层及基体开裂等四种损伤形式,引入适当的损伤判据,对T300/3234碳纤维树脂基复合材料层合板的低速冲击损伤过程进行有限元模拟。结果表明,采用碳纤维钉z-pin增韧使得冲击后层间分层区域面积减小50%左右,有限元结果与实验数据吻合。     

T300/QY8911层合板低速冲击试验及有限元模拟

对T300/QY8911复合材料层合板进行了低速冲击试验研究及数值仿真模拟。通过自由落体装置对层板进行冲击,并使用超声C扫描技术检测了层板冲击后的损伤状态,获得了不同能量下层板内部的损伤面积。建立了用于预测复合材料层合板在低速冲击作用下损伤演化的3D有限元模型,模型包含了用于模拟分层损伤的界面元和用于模拟纤维断裂、纤维挤压、基体开裂、基体挤裂等面内损伤形式的3D实体单元。该模型考虑了面内基体损伤对层间强度的影响。本文中的数值仿真结果和试验结果的对比验证了模型的合理性和有效性,文中还分析了影响低速冲击后层板内部分层面积的主要因素。     

纤维/镁合金混杂层合板低速冲击响应及损伤模拟

为了研究新型纤维增强镁合金混杂层合板在低速冲击下的力学响应,分别对由玻璃纤维、碳纤维和二者混杂增强的AZ31B镁合金层合板在不同冲击能量下的落锤低速冲击试验进行了数值模拟。基于镁合金各向异性塑性本构和指数关系界面脱粘内聚力本构模型,同时纤维复合材料层采用三维Hashin失效准则且引入刚度折减,编写了复合材料层板损伤的VUMAT子程序,并将该子程序嵌入ABAQUS/Explicit中实现对层合板冲击过程的模拟。研究了该纤维层合板在不同冲击能量下的动态冲击响应以及脱粘与损伤演化规律,分析了冲击载荷、形变和能量吸收随时间的变化规律。模拟结果表明:在冲击能较小时,首先在冲击背面出现基体开裂,随着冲击能的增加,层合板受冲击面出现由无明显损伤到出现基体开裂和纤维断裂的现象;与单一碳纤维增强的镁合金层合板复合材料相比,单一玻璃纤维增强的镁合金层合板在冲击载荷作用时能够吸收更多的能量,碳纤维层内混杂合适的玻璃纤维铺层能够提高碳纤维增强镁合金层合板的抗冲击性能。     

碳纤维-玻璃纤维混杂增强环氧树脂复合材料低速冲击性能及其模拟

本文基于实验和数值模拟方法研究了碳纤维-玻璃纤维混杂增强环氧树脂复合材料低速冲击性能。采用商业有限元软件ABAQUS建立了层间/层内两类混杂复合材料低速冲击模型,采用基于应变形式的Hashin失效准则模拟面内损伤;零厚度Cohesive内聚力单元预测层间分层;编写VUMAT子程序定义渐进失效过程,并结合C扫和Micro-CT扫描,分析了复合材料内部微观损伤形貌及损伤分布情况。结果表明,层间混杂结构复合材料的抗冲击性能更优,其中铺层形式为I-C的混杂复合材料抗冲击性能最佳,冲击面为玻璃纤维时混杂结构复合材料对冲击响应区别不明显,CN-1层内混杂结构复合材料抗冲击性能优于CN-2层内混杂结构复合材料。低速冲击损伤主要为冲击处纤维断裂、基体破坏及界面分层,混杂结构可有效降低冲击破坏,层间混杂结构中玻璃纤维层损伤较大,层内混杂结构损伤受混杂界面影响,碳纤维束对临近的玻璃纤维束具有保护作用。      

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。     

基于单胞解析模型的复合材料层合板渐进损伤数值分析

基于单胞解析模型,建立一种从复合材料细观组分到宏观层合板的渐进损伤分析模型。根据连续介质力学和均匀化方法构建细-宏观关联矩阵,通过该矩阵将细观组分材料的弹性和损伤性能传递到宏观复合材料中。该模型只需给出纤维和基体的材料属性及纤维体积含量无需层合板的弹性和强度参数,通过组分材料的损伤失效判据确定其是否损伤,如果发生损伤则用损伤因子折算成相应的刚度衰减。通过用户材料子程序UMAT 及VUMAT将单胞解析模型以及损伤理论嵌入到有限元软件ABAQUS 中,对开孔复合材料层合板的渐进损伤过程进行模拟,预测了层合板强度。结果表明:预报的强度与试验值吻合较好,验证了该方法的有效性。     

Effects of shape memory alloys on low velocity impact characteristics of composite plate

The effects of shape memory alloy thin films embedded in composite plates for improving damage resistance of composite structures under low velocity impact were investigated numerically. Analysis model for SMA thin film was developed based on Lagoudas’ model and implemented using the user defined material subroutine of the ABAQUS/Explicit finite element program. Composite damage model based on the Chang–Chang failure criteria was also implemented to consider progressive damage behavior. The finite element simulation of low velocity impact behavior of a shape memory alloy hybrid composite plate was performed using the ABAQUS/Explicit program. Parametric studies were performed to investigate the effect of shape memory alloys for improving damage resistance of composite plate.     

含雷击热-力耦合损伤复合材料层压板拉伸剩余强度预测

为了对含雷击热-力耦合损伤复合材料层压板的剩余强度进行预测,基于连续介质损伤力学法(CDM)和唯象分析法,建立了表征复合材料雷击热-力耦合损伤的刚度矩阵渐进损伤退化模型。基于该模型,通过ABAQUS有限元仿真软件,建立了含雷击热-力耦合损伤的复合材料层压板结构三维模型。结合UMAT子程序,完成了拉伸载荷下的剩余强度预测。结果表明:通过与试验对比,仿真结果与试验结果取得了良好的一致性。本文所建立模型,能够有效进行含雷击热-力耦合损伤复合材料层压板结构拉伸剩余强度预测。     

Simulation and experimental studies of the repaired composite laminate

Firstly the compress experiment is undertaken to investigate the efficiency of repaired panels in this paper, and then modeling of the mechanical behavior of the repaired composite panel under compressive static load is conducted by using of the finite element method. The effect of geometric non‐linearity on the stress‐strain response is considered in the numeric analysis. Fatherly, the user material subroutine (UMAT) is integrated with the ABAQUS package with the geometric non‐linearity effect for studying the damage initiation and its progression in the composite structure, and quadrilateral, linear, thick shell elements (S8R) are adopted. Finally, the predicted strain distribution, damage evolution and strength of the laminate are compared with the test results.     

单向纤维增强聚合物复合材料压缩渐进破坏单向纤维增强聚合物复合材料压缩渐进破坏

复合材料结构在承压时破坏如何演化,是其强度破坏分析的基础和核心任务。本文提出了基于连续介质损伤力学（CDM）的单向纤维增强聚合物复合材料压缩破坏渐进损伤分析（PDA）模型。建模中考虑了材料非线性行为、失效判断及损伤演化中材料性能退化等基本问题,分别对应于拉压不对称弹塑性本构关系、Puck准则、LaRC05准则及考虑破坏面方向的刚度退化方法。该模型通过用户材料子程序接口VUMAT引入到有限元软件ABAQUS中实现了有限元求解。对文献中提供的纵向、横向及偏轴压缩案例进行了数值计算并与试验数据对比。数值分析结果与试验数据吻合较好,证明了该方法的合理性和有效性,对开展多向层合板压缩破坏分析富有参考价值。      

Numerical simulation of the fiber fragmentation process in single-fiber composites

This paper attempts to simulate the process of fiber break in single-fiber composite fragmentation test (SFCF). The ensued stress redistribution in fiber, matrix and interface after the fiber break is also researched. A new simulation method based on the user subroutine: “User subroutine to redefine field variables at a material point (USDFLD)” in the general finite element method (FEM) software ABAQUS is proposed. The subroutine is used for the definition of the fiber material constitutive model and is programmed in FORTRAN. It is called by ABAQUS. So the damage mode of the fiber break is simulated by the method. The forms of stress redistribution in fiber, matrix and interface are also obtained in the simulation. Then the T300/epoxy single-fiber composite is fabricated and the single-fiber composite fragmentation test is done. The simulation method and results are proved to be appropriate by the comparative analysis with the experiment.     

基于界面单元的复合材料Ⅱ型层间损伤分析

为了研究复合材料层间损伤, 建立了一种新型零厚度界面单元模型, 可以准确地预测复合材料Ⅱ型层间分层扩展。模型包括本构关系建立、损伤准则和损伤演化引入, 并在大型商用有限元软件ABAQUS用户单元子程序(VUEL)中实现, 采用显示积分方法求解, 不存在收敛性问题。将该模型应用于国产碳纤维增强树脂基复合材料CCF300/5428端部缺口弯曲试验(ENF)模拟分析中, 结果表明, 此界面单元模型能够准确模拟复合材料层板Ⅱ型裂纹扩展, 为复合材料层间损伤分析提供了一种有效的方法。     

基于修正GTN模型的不锈钢管剪切过程韧性断裂准则研究

为了改善修正Gurson-Tvergaard-Needleman模型(修正GTN模型)无法准确模拟不锈钢管剪切过程的缺陷,该文在原模型基础上,构造了一个与位移相关的损伤函数作为新的断裂准则。同时,在ABAQUS中采用隐式向后Euler应力更新算法编制了改进后模型的VUMAT用户子程序,实现了其数值求解。最后进行了SUS304不锈钢管剪切试验,通过分析对比试验数据与改进后模型的模拟结果,验证了该文所提出的方法的准确性。     

复合材料层合板螺栓连接失效的数值模拟

基于二维有限元模型, 对复合材料层合板螺栓连接的破坏失效问题利用刚度降低的方法来模拟损伤演化过程。在ABAQUS 有限元软件中加入损伤子程序对螺栓连接强度和失效模式进行数值计算。计算结果表明, 该方法能够较好地反映和符合实验结果。对计算结果分析发现, 对于正交铺层, 剪切非线性不明显, 非线性和线性分析得到的计算结果差别比较小; 而对于角铺层, 剪切效应比较显著, 非线性和线性分析两种计算结果差别很大, 而且非线性分析比较适合于角铺层层合板的计算。配合间隙的大小对挤压强度会产生很大的影响, 随着配合间隙的增大, 连接强度大大降低。对于不同的配合间隙, 出现严重损伤的位置不同。间隙小时, 在远离螺栓孔中心线处损伤最大; 间隙大时, 损伤在靠近螺栓孔中心线位置最为严重; 间隙越大, 损伤峰值越高。