复合材料T型加筋板筋条冲击损伤及冲击后压缩行为试验

本文研究了复合材料加筋板的筋条冲击损伤及冲击损伤对加筋板轴向压缩（CAI）行为的影响。针对T型单筋加筋板,通过落锤法从面板一侧对筋条进行5种能量水平的低速冲击。试验结果表明：冲击筋条产生的面板凹坑不易观察;当冲击能量低于筋条损伤门槛能量时,加筋板筋条无损伤出现,筋条-面板也不会发生脱粘;一旦冲击能量超过筋条损伤门槛能量,筋条的腹板会在弯曲拉伸应力作用下损伤,同时筋条-面板之间会出现严重脱粘。分别对完好和损伤试验件进行压缩试验,试验结果显示：低于门槛能量的冲击对加筋板的压缩屈曲载荷影响不大,同时只会略微降低失效载荷;而冲击造成筋条损伤后,筋条在压缩过程中会由于损伤扩展出现卸载;卸载后的筋条会对面板失去支撑,使面板的屈曲载荷降低,从而大幅地削弱加筋板的承载能力。     

冲击位置对复合材料加筋板冲击后压缩行为影响试验

对低速冲击(LVI)载荷下不同冲击位置对T型复合材料加筋板损伤容限的影响进行了试验研究.选取了2个典型冲击位置,即:两筋间蒙皮和筋条长桁边缘,引入目视可检冲击损伤(VID).借助目视及无损检测手段观察到不同冲击位置处的损伤存在显著差异.相比于蒙皮冲击,长桁边缘冲击处的损伤形式更复杂,表现为:纤维断裂、基体开裂、分层、层...     

基于FBG传感技术的复合材料T型加筋板低速冲击损伤监测

针对碳纤维增强树脂复合材料低速冲击损伤的实时监测,设计将布拉格光纤光栅（FBG）传感器埋植在复合材料T型加筋板结构的三角填充区,在线监测复合材料T型加筋板冲击损伤过程。分别将FBG传感器埋植于复合材料层合板内部和复合材料T型加筋板的三角填充区,对比FBG传感器的埋入对复合材料层合板和复合材料T型加筋板力学性能的影响。结果表明,内埋FBG传感器的复合材料层合板试样的拉伸强度比未埋植传感器的层合板试样降低了约5%,但在FBG传感器的破坏应变范围内,FBG传感器可以准确、实时地监测复合材料的应变信号。将FBG传感器埋入复合材料T型加筋板的三角填充区,内埋FBG传感器的T型加筋板样件压缩破坏载荷与未埋植的样件基本一致。通过对比T型加筋板蒙皮上冲击位置、冲击能量对FBG传感器测得的冲击过程持续时间和最大应变值的影响,表明冲击过程持续时间随着冲击能量增大而延长,最大应变值随着冲击距离的增加呈下降趋势,而最大应变值随着冲击能量的增大呈上升趋势。利用FBG传感器测得的应变信号可初步实现对复合材料T型加筋板蒙皮冲击损伤位置及冲击能量的实时监测。      

多损伤复合材料加筋壁板高周疲劳特性及剩余压缩强度

为研究常用于飞机垂尾的复合材料加筋壁板的冲击疲劳特性,设计了该型加筋壁板多点冲击试验、高周疲劳试验及剩余压缩强度试验。讨论了不同冲击能量对筋条边缘冲击损伤的影响,及施加低应力水平的疲劳载荷后各冲击损伤区域的扩展情况,对比分析了疲劳对冲击后剩余压缩强度的影响。结果表明:40J能量冲击后的损伤面积和凹坑深度较大,C扫描损伤形貌很不规则。100万次低应力疲劳后主损伤区附近衍生出新损伤,导致压缩破坏时产生向上、下夹具扩展的裂痕。该型加筋壁板疲劳后破坏载荷保持率为95.6%,有较好的抗冲击疲劳能力,为加筋壁板耐久性及后屈曲设计提供了思路。     

侧边边界条件对复合材料加筋板轴压载荷下屈曲和后屈曲性能的影响

为研究侧边边界条件对复合材料加筋板压缩稳定性能的影响,首先采用有限元软件对压缩载荷作用下的复合材料加筋板进行建模数值计算,得到加筋板在侧边简支和自由2种边界条件下的屈曲载荷和形式,然后采用工程计算方法对加筋板轴压承载能力进行了估算,参考计算结果,分别对侧边有支持和侧边自由2组加筋板进行轴向压缩试验,分析侧边边界条件对试验件的屈曲形式、屈曲载荷以及后屈曲破坏过程的影响。试验结果表明：侧边支持条件会影响加筋板的屈曲形式和破坏形式。对于侧边有支持的试验件,屈曲后整体变形较小,筋条的压缩断裂是主要的破坏形式;而侧边自由的试验件屈曲后会逐渐出现整体弯曲变形,变形引起的筋条脱粘和弯曲断裂则是主要的破坏形式,且筋条脱粘会显著降低结构的承载能力。有限元计算结果与试验结果较吻合,验证了有限元模型的合理性。采用工程计算方法对侧边有支持的加筋板承载能力进行估算具有较好的精度。     

冲击后含损伤复合材料格栅加筋板的后屈曲

采用数值分析方法研究了冲击后含损伤的复合材料格栅加筋板的后屈曲特性。基于Mindlin 一阶剪切理论和Von Karman 大挠度理论, 建立了冲击后蒙皮内含分层损伤复合材料格栅加筋板后屈曲分析的有限元方法; 分析中同时考虑了蒙皮和肋骨中纤维断裂、基体开裂等损伤累积造成的刚度的退化和蒙皮分层子板间的闭合接触效应, 为含损伤复合材料格栅加筋板的后屈曲特性研究提供了一种有效的数值分析方法。分析结果表明, 蒙皮分层面积较大时, 格栅加筋板出现蒙皮分层上子板的局部屈曲后仍然具有较强的继续承载能力, 而在后屈曲分析中, 应考虑损伤累积对格栅加筋结构承载能力的影响; 采用非线性虚拟界面元可成功处理分层子板间的闭合接触效应。      

翼肋支撑对复合材料加筋板轴压性能的影响

为确定翼肋支撑对复合材料加筋板轴压性能的影响,对施加翼肋支撑前后的复合材料工型加筋板和帽型加筋板进行压缩试验和数值模拟研究。轴压试验中,通过应变计和影像云纹法实时监测试验件的失稳载荷及失稳模态,通过断面观测分析结构损伤破坏机制。基于ABAQUS软件建立有限元模型模拟加筋板屈曲及后屈曲过程,通过失稳节线及反节线上的应力分布变化分析加筋板破坏机制。计算结果与试验结果相吻合,表明翼肋支撑对不同筋条加筋板失稳模态有影响但均不改变结构失稳载荷,位于节线上的翼肋支撑对工型加筋板破坏载荷影响较小,但位于反节线上的翼肋支撑使帽型加筋板的承载能力提高了26.2%。试验件失稳后应力向反节线上筋条蒙皮界面集中,过高的应力导致界面脱粘,使得结构集中在反节线上破坏。      

复合材料帽型加筋壁板的失效机制分析与改进设计

为了准确预测复合材料帽型加筋壁板的后屈曲承载能力,针对压缩载荷下筋条端头斜削的复合材料帽型加筋壁板结构的失效机制及失效载荷进行了研究。首先利用物理试验,研究了端头斜削的复合材料帽型加筋壁板失效过程,然后构建了考虑蒙皮/缘条胶接界面以及复合材料层板失效的非线性损伤分析模型,详细地研究了损伤起始、扩展和失效的全过程。在此基础上,提出了包覆层对蒙皮/缘条界面进行增强的设计方案,并基于数值仿真和试验研究了包覆层对复合材料帽型壁板的破坏模式和承载能力的影响。数值分析和试验结果表明,包覆层设计能够明显提高结构的屈曲载荷和后屈曲承载能力,分析结果与试验值吻合良好,且预测的破坏模式也与试验结果一致。     

含切口复合材料加筋板的压缩剩余强度研究

通过对含穿透切口的复合材料加筋板轴向压缩试验以及有限元渐进损伤模拟分析,研究了加筋板离散源损伤的扩展模式与破坏特征。结果表明,切口前端出现了非常明显的应变集中且最先发生破坏,沿切口方向未切断筋条的屈曲和壁板边缘的突然压溃导致了加筋板的最终破坏。基于最大应变判据和Hashin判据的三维有限元渐进损伤模拟有效的表达了含切口复合材料加筋板的损伤扩展,计算结果与试验吻合较好。     

湿热环境对航空复合材料加筋板压缩屈曲和后屈曲性能的影响

使航空复合材料加筋板在湿热环境中(70°C、水浴)达到吸湿饱和状态,对普通加筋板(A型)和吸湿饱和加筋板(B型)进行压缩实验。两类加筋板的破坏形貌相似,主要是筋条的断裂、脱粘和壁板的分层、撕裂,但破坏位置显著不同,A型加筋板的破坏位置均在加筋板中部附近,而B型分别在靠近两端的部位破坏,表明B型加筋板的破坏位置具有不确定性。两类加筋板的屈曲形式均为筋条间壁板的屈曲和中间2根筋条的屈曲,但两类加筋板相同位置的失稳壁板的弯曲方向相反,说明湿热环境对失稳壁板的弯曲方向影响较大。B型加筋板在压缩载荷下仍存在后屈曲过程,湿热环境对加筋板的屈曲载荷影响较小,对破坏载荷影响较大,较A型加筋板相比两者分别下降了3.1%和22.2%。     

加筋增强泡沫夹芯结构面内压缩与界面断裂性能试验

为解决复合材料泡沫夹芯结构面板局部屈曲与面芯脱粘的突出问题,提出了一种由筋条增强的玻璃纤维增强树脂基复合材料（GFRP）面板与泡沫芯层组合而成的新型夹芯结构。采用真空辅助树脂导入技术制备试验件,通过面内压缩与双悬臂梁试验,对比分析了加筋增强夹芯板与未加筋夹芯板的受力特性、失效模式和面芯粘结性能。面内压缩试验显示,与未加筋夹芯板相比,加筋增强夹芯板的失效模式由面板局部屈曲转化为面板压缩剪切破坏或整体屈曲,在GFRP材料使用量相同的情况下,试件长度为130 mm的加筋增强夹芯板平均失效荷载提高了40.87%,长度为190 mm试件提高了35.63%。双悬臂梁试验显示,加筋增强夹芯板的裂缝在发展过程中受到筋条与面板之间纤维丝搭接约束,改善了界面粘结性能,与未加筋夹芯板相比,其平均能量释放率提高了57.35%。     

考虑脱粘的复合材料加筋板屈曲后屈曲及承载能力数值分析

建立了复合材料层合加筋壁板的屈曲后屈曲有限元分析模型。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, 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前后屈曲平衡路径及破坏过程。数值分析结果与实验结果吻合良好, 证明了该方法的合理有效性。详细探讨了筋条尺寸及界面单元强度等参数对加筋壁板屈曲后屈曲行为及承载能力的影响规律, 研究表明增加筋条截面惯性矩及筋条密度在一定程度上能有效提高加筋板的屈曲载荷与极限强度, 筋条密度增加到一定程度会引起结构破坏形式由失稳破坏?湮顾跗苹? 界面强度与铺层方式对极限强度有重要影响, 界面脱粘是引起加筋板最终破坏的重要因素。      

Optimum buckling design of composite stiffened panels using ant colony algorithm

Optimal design of laminated composite stiffened panels of symmetric and balanced layup with different number of T-shape stiffeners is investigated and presented. The stiffened panels are simply supported and subjected to uniform biaxial compressive load. In the optimization for the maximum buckling load without weight penalty, the panel skin and the stiffened laminate stacking sequence, thickness and the height of the stiffeners are chosen as design variables. The optimization is carried out by applying an ant colony algorithm (ACA) with the ply contiguous constraint taken into account. The finite strip method is employed in the buckling analysis of the stiffened panels. The results shows that the buckling load increases dramatically with the number of stiffeners at first, and then has only a small improvement after the number of stiffeners reaches a certain value. An optimal layup of the skin and stiffener laminate has also been obtained by using the ACA. The methods presented in this paper should be applicable to the design of stiffened composite panels in similar loading conditions.     

竖向闭口加劲钢板剪力墙在非均匀压力下的弹性稳定性研究

对非均匀压应力作用下设置多道竖向闭口加劲肋的钢板剪力墙进行了有限元弹性屈曲分析,得到了屈曲临界应力随加劲肋加劲系数变化的曲线,以及各情况下的门槛刚度值。加劲肋门槛刚度随偏压系数增大而减小,随加劲肋数目增多而增大,随小区格宽高比增大而减小,随加劲肋扭弯比增大而减小。提出了竖向闭口加劲钢板剪力墙弹性屈曲加劲肋门槛刚度的近似计算公式,公式计算结果偏于安全。     

含损伤复合材料AGS 板的屈曲特性

采用有限元数值模拟方法, 研究了蒙皮内含分层损伤复合材料格栅加筋板结构(AGS) 的稳定性问题。对蒙皮和肋骨分别采用基于Mindlin 一阶剪切理论的复合材料层合板单元和层合梁单元来模拟, 推导了相应的有限元列式, 并通过坐标变换, 利用蒙皮与肋骨的几何连续条件, 形成了AGS 的单元刚度阵和几何刚度阵, 建立了含损伤AGS 稳定性分析的有限元控制方程。通过典型算例, 研究了压缩载荷作用下, 分层形状、分层大小、分层深度、肋骨的高度和宽度、布置方式等因素对AGS 的稳定性特征的影响。数值结果表明, 含分层损伤的AGS 具有十分复杂的屈曲性态。屈曲临界力和屈曲模式与分层面积、分层形状、分层深度、肋骨的高度和宽度、布置方式和位置均密切相关。      

对角槽钢加劲钢板剪力墙抗震性能试验研究

为研究大跨高比的对角槽钢加劲钢板墙结构,该文对3个1/3缩尺的钢板剪力墙试件进行了拟静力试验研究,包括一个拼接式钢板剪力墙和2个拼接式-对角槽钢加劲钢板剪力墙。试验结果表明钢板剪力墙有良好的耗能能力,对角加劲钢板墙滞回曲线饱满呈梭形。槽钢的两个翼缘与钢板连接,形成具有更大抗扭刚度闭口截面,在加载过程中避免了加劲肋的扭转而导致加劲效果降低。对角布置的槽钢加劲肋具有较大的抗弯刚度,在弹性阶段提高钢板的弹性屈曲荷载,限制钢板平面外变形;在弹塑性阶段能起到增大拉力带的作用,提高结构承载力。推导了框架柱的剪力、轴力和弯矩计算公式,结果表明对角槽钢加劲形式对边缘构件的附加轴力和剪力作用较大,因此在设计时应考虑加劲肋的支撑作用。     

复合材料加筋壁板鸟撞动响应分析

考虑复合材料蜂窝夹芯结构的冲击损伤,采用接触碰撞耦合方法研究了复合材料加筋壁板的抗鸟撞性能。鸟撞方式包括垂直冲击和斜冲击两种,复合材料的冲击损伤模型采用Chang-Chang模型,分析了三种鸟撞速度下鸟撞性能参数如复合材料壁板的失效单元数、鸟体剩余动能和筋条的变形,以及复合材料壁板和筋条在某一鸟撞速度下应力随筋条数的变化规律。计算结果表明：垂直冲击和斜冲击下复合材料加筋壁板的抗鸟撞性能不同,并非筋条越多越有利于改善抗鸟撞性能,筋条有时还可能起反作用。     

Impact Damage to Composite Laminates: Effect of Impact Location

Accidental impact loading of Composite laminates during manufacture and in-service can occur in different locations including near the edge or on the edge of a composite structure. This paper describes investigation of the effect of impact to composite laminates and compares the damage arising from central, near edge and on edge impact events. The damage tolerance of impact damaged laminates using both compression and tension tests has been measured. These results reveal the different damage mechanisms arising from different locations of impact. These different damage mechanisms have been investigated using X-Ray computed tomography. Impact on the edge of composite laminates is found to lead to smaller damage area, but more fibre failure; the severity of this damage is not revealed in standard compression after impact tests.