准静态压痕力作用下复合材料层合板的凹坑深度预测方法

建立了一种在准静态压痕力作用下复合材料层合板凹坑深度的预测方法。首先采用基于应变描述的Hashin 和 Yeh 失效准则并结合有限元法, 对复合材料层合板在准静态压痕力作用下的失效过程进行渐进损伤分析, 获取一系列的材料性能退化信息。其次采用Sun的方法对局部损伤区材料的弹性参数进行等效处理。最后结合Turner的接触理论预测了凹坑深度-接触力曲线。计算结果表明, 基体开裂与分层是导致层合板开始产生凹坑的主要原因, 纤维断裂是导致凹坑深度急剧增加的主要原因。分层起始载荷、 最大接触力及各自相应的凹坑深度的预测结果与试验值具有较好的一致性。      

复合材料泡沫夹层板准静态压痕实验的有限元模拟

采用准静态压痕(QSI)实验对复合材料泡沫夹层板进行研究,通过实验获得复合材料泡沫夹层板的损伤阻抗特性。使用ANSYS建立复合材料夹层板准静态压痕实验的有限元模型,使用刚度折减方法模拟持续加载过程中的芯体失效过程,建立了复合材料泡沫夹层板在准静态压痕力作用下损伤阻抗特性的预测方法。通过有限元结果与实验结果比较,验证了模型的准确性和合理性。     

复合材料层合板准静态压痕实验研究

采用准静态压痕(QSI) 实验方法针对多种材料对集中准静态压痕力的损伤阻抗进行了测试。选取2 个特征载荷下的试样进行了超声C 扫描探伤和扫描电镜(SEM) 显微观察, 分析了QSI 实验中层合板的损伤过程, 针对初始分层接触力f₁和最大接触力f₂对材料的损伤阻抗特性进行了分析。测试了2 种材料体系层压板的最大接触力, 发现该值具有较好的可重复性。研究了测试条件(试样尺寸和支持条件) 和材料特性(不同纤维、基体种类和铺层方式) 对最大接触力的影响。实验结果表明, 试样尺寸和支持条件对最大接触力的影响较小, 在必要时可以采用非标试样测试最大接触力, 而最大接触力与树脂基体、纤维特性及铺层方式都有关, 最大接触力对应的凹坑深度d₂主要由纤维强度和延伸率决定, 树脂特性对d2有影响但影响程度较小。      

复合材料层压板抗冲击行为及表征方法的实验研究

对14种复合材料体系约800个试样进行了冲击阻抗和含损伤层压板压缩强度试验研究,研究发现对于同一种复合材料层压板的冲击能量-凹坑深度曲线和凹坑深度-压缩破坏应变曲线均存在拐点,在出现拐点后内部的分层损伤叠加面积基本不再增加,压缩剩余强度基本不再降低,表面冲击部位开始出现纤维断裂。研究表明,采用传统CAI来表征损伤容限性能的方法可能得到与实际结构损伤容限特性相反的结论。因此,提出了利用拐点附近特性来表征复合材料层压板的抗冲击行为（包括损伤阻抗和损伤容限）的建议,即分别采用QSI方法得到的准各向同性层压板的最大接触力F_max和压缩破坏强度（应变）的门槛值CAIT来表征复合材料层压板的损伤阻抗和损伤容限行为。      

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。     

层间颗粒增韧HT3/ QY8911 的损伤阻抗和损伤容限

采用热塑性颗粒对双马基体复合材料层合板HT3/ Q Y8911 进行层间增韧, 制备未加入增韧颗粒的对比件和加入增韧颗粒的改性件。通过准静态压痕(QSI) 实验和冲击后压缩实验, 研究了层间增韧后HT3/ Q Y8911的损伤阻抗和损伤容限特性。结果和分析表明, 改性件在静压痕力下具有较高的分层起始载荷, 或在相同载荷水平下具有较小的损伤面积。提出从分层起始点载荷大小和载荷下降程度两方面来衡量试件对准静压痕力的响应。在相同的静压痕力或单位厚度冲击能量下, 层间增韧后的HT3/ Q Y8911 具有较深的凹坑, 表明塑性变形较大的层间区域以凹坑为代价换取了较小的损伤面积, 具有较高的损伤阻抗。在冲击后压缩面积相差不大的情况下, 层间增韧件的冲击后压缩强度和压缩破坏应变显著增加。      

层间颗粒增韧复合材料层压板的损伤阻抗特性

采用热塑性颗粒对HT7/ 5228 、HT3/ N Y9200G和HT3/ 5224 三种高温固化环氧基体复合材料层压板进行层间增韧。为了提高冲击后压缩强度(CAI) 和考察损伤阻抗, 测试了平均分层起始能量e_Ⅱc以及接触力-凹坑深度关系。试验结果表明, 增韧颗粒和基体树脂形成的层间区域能有效地吸收断裂能量并抑制分层的发生, e_Ⅱc显著提高。在静压痕力下, 层间增韧复合材料层压板具有较深的凹坑深度和较小的损伤面积。层间增韧的几何效应、裂纹传播路径控制、颗粒桥联以及裂尖屏蔽是主要的增韧机理, 颗粒的塑性变形和最终失效也耗散了大量断裂能量。      

复合材料层板静压入破坏机制

建立一个有效的计算模型, 以分析复合材料层板在静压入过程中发生分层、 纤维断裂的现象。该计算模型基于有限元程序的三维逐渐损伤理论对层板的静压入全过程进行模拟, 对逐层逐个单元的损伤进行判断, 可以模拟任意角度、 铺层厚度的层板在递增载荷下的逐渐损伤破坏过程。对炭纤维增强环氧树脂基复合材料层板在静压入过程中发生的分层和纤维断裂现象进行预测,并与实验结果进行比较; 对炭纤维增强双马来酰亚胺树脂基复合材料层板在静压入过程中的分层损伤和最终破坏接触力的大小进行预测,并与低速冲击下的结果进行比较。数值仿真与实验结果吻合较好, 表明静压入分析方法是复合材料层板在低速冲击下产生损伤的可替换分析方法。      

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。     

基于弯曲刚度最大分层临界载荷的层压板局部屈曲预测

提出了一种预测含特定分层损伤层压板发生局部屈曲时整体应变的方法.认为含分层子板的局部屈曲载荷由其弯曲刚度最大的分层决定,因而含有相同最大弯曲刚度分层的不同子板具有相同的屈曲载荷.在已知弯曲刚度最大分层的屈曲载荷的情况下,根据层压板的轴向刚度公式,计算出发生局部屈曲时弯曲刚度最大的分层与完好的基板分别承受的载荷,即得到总载荷,进而得到层压板的整体应变.用ABAQUS有限元分析软件建立含分层损伤的层压板模型,使用准静态加载进行了多种分层深度和分层位置下的局部屈曲仿真,所得局部屈曲载荷符合上述推论.用所提方法预测发生局部屈曲时的整体应变,结果与有限元结果吻合较好,此方法可用于建立分层参数识别的参照样本库.     

Failure mechanisms of laminated composites subjected to static indentation

Quasi-static indentation tests on composite laminates have been performed. Thermal deply and C-scan techniques are used to observe the internal damage characteristics of laminates induced by static indentation. The results indicate that the dent depth increases slowly and almost linearly as the force is lower than its maximum. The observation shows that the damage induced at this loading stage includes matrix cracking and delamination only. Once the force exceeds the maximum, the dent depth increases sharply while the force remains almost unchanged. Deply test results demonstrate that the transition to rapid increase in dent depth is due to the fiber breakage produced at this loading stage. The results also indicate that the damage resistance of a composite laminate can be characterized by the maximum contact force. On the basis of this principle and test results, it is concluded that the damage resistance of toughened composite is much higher than that of brittle one.     

基于连续介质损伤力学的复合材料层合板低速冲击损伤模型

基于连续介质损伤力学（CDM）方法,建立了分析复合材料层合板低速冲击问题的三维数值模型。该模型考虑了层内损伤（纤维和基体损伤）、层间分层损伤和剪切非线性行为,采用最大应变失效准则预测纤维损伤的萌生,双线性损伤本构模型表征纤维损伤演化,基于物理失效机制的三维Puck准则判断基体损伤的起始,根据断裂面内等效应变建立混合模式下基体损伤扩展准则。横向基体拉伸强度和面内剪切强度采用基于断裂力学假设的就地强度（in-situ strength）。纤维和基体损伤本构关系中引入单元特征长度,有效降低模型对网格密度的依赖性。层间分层损伤情况由内聚力单元（cohesive element）预测,以二次应力准则为分层损伤的起始准则,B-K准则表征分层损伤演化。分别通过数值分析方法和试验研究方法对复合材料典型铺层层合板四级能量低速冲击下的冲击损伤和冲击响应规律进行分析,数值计算和试验测量的接触力-时间曲线、分层损伤的形状和面积较好吻合,表明该模型能够准确地预测层合板低速冲击损伤和冲击响应。     

基于剪切非线性三维损伤本构模型的复合材料层合板失效强度预测

基于连续损伤力学,建立了同时考虑复合材料剪切非线性效应和损伤累积导致材料属性退化的三维损伤本构模型。模型能够区分纤维损伤、基体损伤和分层损伤不同的失效模式,并定义了相应损伤模式的损伤变量。复合材料层合板层内纤维初始损伤采用最大应力准则判定,基体初始损伤采用三维Puck准则中的基体失效准则判定,分层初始损伤采用三维Hou准则中的分层破坏准则判定,为了计算Puck失效理论中的基体失效断裂面角度,本文提出了分区抛物线法,通过Matlab软件编写计算程序并进行分析。结果表明,与Puck遍历法和分区黄金分割法对比,本文提出的分区抛物线法有效地降低了求解断裂面角度的计算次数,提高了计算效率和计算精度。推导了本构模型的应变驱动显式积分算法以更新应力和解答相关的状态变量,开发了包含数值积分算法的用户自定义子程序VUMAT,并嵌于有限元程序Abaqus v6.14中。通过对力学行为展现显著非线性效应的AS4碳纤维/3501-6环氧树脂复合材料层合板进行渐进失效分析,验证了本文提出的材料本构模型的有效性。结果显示,已提出的模型能够较准确地预测此类复合材料层合板的力学行为及其失效强度,为复合材料构件及其结构设计提供一种有效的分析方法。      

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。     

Stress distribution in damaged composite laminates under transverse impact

Studies on damage in composite laminates subjected to central and normal impact are conducted by a 3-D finite element analysis. The stress analysis is carried out by developing a constitutive equation of composite laminates coupled with the damage. Effects of the damage on the stress distribution in the laminates are investigated in details. The obtained contact force history correlates well with the results reported in literatures. Stress distributions across the thickness of the elastic non-damaged laminate show a probable distribution of delamination. The simulated result for delamination is coincided with the observation of experiments. Stress distributions for the damaged laminates show that the damage releases strain energy and lessens stress concentration.     

吸湿后复合材料层合板快速加热分层扩展数值模拟

为研究复合材料层合板吸湿后的分层现象,首先建立了吸湿后复合材料层合板快速加热导致分层损伤的有限元模型,并对ABAQUS有限元软件进行二次开发,通过UAMP子程序模拟吸湿后复合材料快速加热时水分汽化引起的局部高压载荷作用下层合板分层扩展与载荷施加过程;然后,采用该模型预测了饱和吸湿T650-35/HFPE-II-52碳纤维聚酰亚胺复合材料层合板快速加热至310 ℃时产生的分层现象,并将数值模拟与文献实验结果对比;最后,运用该模型分析了树脂吸湿量和富脂区树脂聚集体积对层合板分层损伤面积的影响。结果表明:建立的有限元模型有效;快速加热后,层合板的分层损伤面积随树脂吸湿量的增加而增加;当富脂区树脂聚集体积较小时,其对层合板快速加热后分层损伤面积影响较小,但当富脂区树脂聚集体积增加到一定值后,层合板分层损伤面积随富脂区树脂聚集体积的增加而显著增加。所得结论表明,使用ABAQUS的UAMP子程序建立的有限元模型可以有效分析吸湿后复合材料层合板快速加热导致的分层现象。      

复合材料层合板分层损伤数值模拟方法研究现状

复合材料层合板在航空航天等领域受到广泛应用,分层损伤作为复合材料层合板主要的损伤形式,对复合材料结构的强度和刚度有显著的影响,是限制其重大工程应用的热点问题之一。通过实验的方法对复合材料结构进行研究,往往需要耗费大量的时间和成本,成熟的有限元数值模拟技术可以较低成本实现复合材料结构的分层行为模拟,成为分层损伤研究的重要手段。本文从数值模拟角度总结了国内外在纤维增强复合材料分层损伤取得的研究成果,并对目前主要的方法虚拟裂纹闭合技术(VCCT)、内聚力模型(CZM)及扩展有限元法(XFEM)进行阐述。最后,对其发展方向进行了展望。      

接头局部增强的复合材料层合板螺栓连接试验与数值模拟

采用真空辅助成型工艺（VARI）制备了四种局部增强的复合材料层合板螺栓连接试件，通过试验及数值模拟对其力学性能进行了研究。数值研究中将复合材料层合板连接件的拉伸作为一个准静态问题，运用ABAQUS的显示分析算法及所编写用户材料子程序VUMAT对连接件进行了三维渐进失效模拟，同时在有限元模型中采用内聚力单元模拟了层合板与所设增强层的界面分层失效。数值计算结果与试验结果取得了较好的一致，验证了本文中数值方法的有效性。研究结果表明，不同的局部增强方案对复合材料螺栓连接性能的影响较大，设置[0/90/0/90]_S铺层的内置纤维增强层能显著提高层合板的螺栓连接性能。