三维复合材料层合板渐进损伤非线性分析模型

为有效反映复合材料层合板层间相互作用和材料损伤非线性，建立了中等尺度的三维复合材料层合板渐进损伤分析模型。非线性渐进损伤分析过程包括应力求解、材料损伤失效判据及材料性能退化方案3个方面。讨论了损伤材料性能退化方案，引入与材料损伤模式相对应的损伤变量表征材料点的损伤状态，材料的刚度矩阵按损伤变量退化。基于该模型可成功预测复合材料层合板损伤起始、扩展直至最终失效的整个过程和极限强度。经文献试验数据验证，12种不同铺层顺序层合板的计算强度与试验数据均吻合较好，表明该模型在复合材料层合板极限强度预测上的有效性。     

层合板极限强度判据及其最大承载能力的工程设计

在研究层合板在复杂载荷下的极限强度时,提出了基于层合板基本强度和最佳应力比实验强度所确定的层合板张量型强度准则和层合板联合强度理论.通过建立新的层合板铺层刚度退化理论并用实验测定“均衡型刚度退化系数”,实现了LPF包络线预测;进而提出了层合板退化张量型强度准则.该准则是一种由单向板基本刚度、强度性能,辅助以均衡型刚度退化系数,预测各种铺层序列的层合板在复杂载荷下最大承载能力的强度判据和工程方法.上述强度准则与[±θ]s,层合板的单向拉伸,[±45]s、[0/90]s层合板平板拉剪,以及[0/90]s、[0/±45]s和[0/45]s层合管状件的双向载荷强度实验结果相当吻合.所提出的层合板极限强度判据和最大承载能力的估算方法,对玻纤复合材料层合结构的工程强度设计,具有实际的指导意义和实用价值.     

复合材料层合板多尺度交互渐进损伤分析

纤维增强复合材料强度的准确表征是复合材料力学性能研究的核心问题之一。该文以碳纤维增强树脂基复合材料层合板为研究对象,基于宏观-细观多尺度分析方法,根据复合材料的物理失效模式分别给出了基体和纤维的细观失效准则,同时考虑基体失效对复合材料层合板纤维轴向力学性能的影响。提出了新的刚度退化方式,可准确表征复合材料层合板的损伤演化过程,开展了复合材料层合板四点弯模型的多尺度交互渐进损伤分析和试验验证。结果表明:基于多尺度方法的复合材料层合板宏-细观交互渐进损伤分析结果与试验结果吻合较好,新的刚度退化方式可以准确模拟层合板的失效过程。     

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转变为压缩破坏,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。     

基于改进Hashin准则的复合材料低速冲击损伤研究

针对复合材料力学性能的分散性和传统模型中退化系数选取的随意性问题,将退化系数与复合材料强度的威布尔分布参数相结合,采用改进的三维Hashin准则建立了复合材料低速冲击渐进损伤模型。考虑复合材料非线性剪切行为改进了Hashin准则,将原始准则中的剪切项用应变能替代,并采用最大应变准则判断剪切失效,避免了应力准则导致的变形不连续。采用该模型对三种能量下的T300/3501复合材料层合板低速冲击过程进行了仿真分析,计算得到的冲击响应曲线、层内和层间分层损伤结果与实验结果吻合良好,表明建立的模型适用于复合材料层合板低速冲击损伤预测。     

含分层损伤复合材料加筋层合板的动承载能力

采用有限元方法研究了含穿透分层损伤复合材料加筋层合板的动力响应和承载能力。根据复合材料层合板一阶剪切理论, 推导了复合材料层合板单元的刚度阵和质量阵列式;同时采用Adams 应变能法与Rayleigh阻尼模型相结合的方法, 构造了相应的阻尼阵列式;为了防止在低阶模态中分层处出现的上、下子板不合理的嵌入现象, 建立了含分层损伤复合材料加筋层合板动力分析中分层分析模型和虚拟界面联接模型。并采用Tsai提出的刚度退化准则和动力响应分析的精细积分法, 对在动荷载作用下含分层损伤复合材料加筋层合板结构进行了破坏和承载能力分析。通过典型算例分析, 分别讨论了外载频率、分层深度、筋的位置以及破坏过程中刚度退化对含损伤复合材料加筋层合板动力响应特征和承载能力的影响, 得到了一些具有理论和工程价值的结论。     

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。     

含脱粘损伤的复合材料加筋板压缩破坏渐进损伤数值分析

本文提出了基于连续损伤力学的复合材料层合加筋壁板渐进损伤分析模型。该模型采用界面单元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准则和Hashin准则作为失效判据,基于内嵌连续损伤状态变量的材料刚度退化方案,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破坏过程,分析了结构相应失效模式的细观失效机理。数值分析结果与实验数据吻合较好,证明该方法的合理性和有效性,并详细探讨了界面单元关键参数和层板铺设角度对加筋壁板结构力学响应的影响规律,得到了一些富有价值的结论。     

基于复合材料层合箱梁改进解析模型计算等效刚度

提出了基于复合材料层合箱梁改进解析模型的等效刚度计算方法。在考虑三维应变效应的同时用复合材料单层的二维折算模量分量来表示三维折算模量分量,简化了复合材料层合箱梁等效刚度系数的计算,得到了由梁横截面几何尺寸和层合板刚度系数表达的等效抗弯刚度和等效抗扭刚度的解析式。该解析式适用于环向刚度一致的复合材料层合箱梁,并充分考虑了弯曲-剪切耦合和扭转-拉伸耦合效应对等效刚度的影响。通过三点弯试验和扭转试验,验证了解析式的正确性;通过与分层等效叠加法、有限元法进行对比,分析了解析式的计算精度。结合经典层合板理论,研究了铺层方式对等效刚度产生的影响及原因,预测了不同铺层复合材料层合箱梁等效刚度的变化规律。      

复合材料加筋结构后屈曲的自开发程序

针对复合材料层合加筋结构的后屈曲问题,开发出自编Fortran程序,并嵌入Patran进行前后处理。采用该程序计算出线性屈曲模态,将其作为后屈曲非线性计算的初始挠度;采用增量迭代技术、弧长控制及能量收敛准则求解非线性方程;最后引入复合材料Tsai-Hill失效准则,对单元的损伤进行判断及刚度折减。采用复合材料加筋板的压缩试验对该系统进行初步验证。针对不同加载方式、选材及结构型式的机翼盒段,利用该系统进行后屈曲计算和分析,数值结果与试验数据吻合较好。     

Dynamic stability of stiffened laminated composite plates and shells subjected to in-plane pulsating forces

The dynamic stability of laminated composite stiffened or non-stiffened plates and shells due to periodic in-plane forces at boundaries is investigated in this paper. A three-dimensional (3-D) degenerated shell element and a 3-D degenerated curved beam element are used to model plates/shells and stiffeners, respectively. The characteristic equations to find the natural frequencies, buckling loads and their corresponding mode shapes are obtained from the finite element equation of motion. Then, the method of Hill's infinite determinants or the method of multiple scales is applied to analyse the dynamic instability regions. Numerical results are presented to demonstrate the effects of various parameters, such as skew angle, lamination scheme, stiffened scheme, in-plane force type and curvature of cylindrical shell, on the dynamic stability of stiffened and non-stiffened plates and shells subjected to in-plane pulsating forces at boundaries.     

Buckling response of laminated composite stiffened plates subjected to partial in-plane edge loading

This article presents the buckling analysis of laminated composite stiffened plates subjected to partial in-plane edge loading. The finite element method is used to carry out the analysis. The eight-noded isoparametric degenerated shell element with C⁰ continuity and first-order shear deformation and a compatible three-noded curved beam element are used to model the plate skin and the stiffeners, respectively. The eigen value analysis is carried out to track the buckling load. The convergence study is performed for some specific problems and the results are compared with the available results in the literature. It is observed that the convergence of results is very fast for this finite element model. Effect of different parameters like orientation of fibers, number of layers, and loading types are considered in the present investigation. It is also observed that all these parameters have significant effect on the buckling response of the composite stiffened plate.     

复合材料加筋板的大变形有限元分析

本文将考虑横向剪切变形的Mindlin's理论应用于复合材料加筋板的大变形分析,在Total-Lagrange坐标系下推导了八结点等参弯曲板单元和三结点等参梁单元的增量平衡方程和切线刚度矩阵,非线性问题采用增量法和Newton-Raphson迭代法相结合的方法求解.本文通过一些算例,证明了所采用单元具有良好的收敛性和足够的精度,并讨论了边界条件、纤维铺设角和加筋疏密等因素对复合材加料筋板非线性解的影响.     

含分层损伤复合材料等三角形格栅加筋板的起裂和扩展过程研究

对在压缩载荷下先进复合材料等三角形格栅加筋板结构 (AGS) 后屈曲阶段的分层起裂和扩展过程进行了研究。基于一阶剪切变形理论和 Von2 Karman几何非线性关系 , 提出了 AGS结构后屈曲有限元分析模型 ;基于总能量释放率准则 , 并利用虚裂纹闭合法 (VCCT) 及自适应网格的生成和移动技术分析了分层损伤的扩展过程 , 在分析过程中考虑了分层前缘的接触效应。并通过典型算例 , 讨论了不同的初始分层尺寸、 肋骨刚度对等三角形格栅加筋板结构的分层起裂和扩展过程的影响 , 通过与具有相同几何尺度的正交格栅加筋板结构的比较 ,说明等三角形格栅加筋板结构具有较高的抗分层能力。本文方法和所得结论对 A GS结构的承载能力预测和设计将具有参考价值。     

具有分层损伤复合材料加筋与无加筋层合板热-机械力屈曲性态

基于复合材料一维剪切理论——Mindlin 理论, 给出了材料性质与温度有关的含分层损伤复合材料加筋和无加筋层合板的线性和非线性热-机械力耦合情况下的屈曲问题有限元分析方法, 并研究了含分层损伤的加筋和无加筋层合板的两种不同类型的热- 机械力屈曲问题。通过典型算例分析, 讨论了热-机械力耦合效应和分层大小对含分层损伤结构的屈曲性态的影响关系。     

Compressive behaviour of thin-skin stiffened composite panels with a stress raiser

The in-plane compressive behaviour of thin-skin stiffened composite panels with a stress concentrator in the form of an open hole or low velocity impact damage is examined analytically. Drop weight impact in laminated polymer composites causes matrix cracking, delaminations and fibre breakage, which together can seriously degrade the laminate compressive strength. Experimental studies, using ultrasonic C-scan images and X-ray shadow radiography, indicated that the overall damage resembles a hole. Under uniaxial compression loading, 0° fibre microbuckling surrounded by delamination grows laterally (like a crack) from the impact site as the applied load is increased. These local buckled regions continued to propagate, first in discrete increments and then rapidly at failure load. The damage pattern is very similar to that observed in laminated plates with open holes loaded in compression. Because of this resemblance, a fracture mechanics model, developed initially to predict notched compressive strength, was applied to estimate the compression-after-impact (CAI) strength of a stiffened panel; in the analysis the impact damage is replaced with an equivalent open hole. Also, the maximum stress failure criterion is employed to estimate the residual compressive strength of the panel. The unnotched compressive strength of the composite laminate required in the analysis is obtained from a three-dimensional stability theory of deformable bodies. The influence of the stiffener on the compressive strength of the thin-skin panel is examined and included in the analysis. A good agreement between experimental measurements and predicted values for the critical failure load is obtained.     

复合材料大变形任意加筋板单元

本文构造了用于复合材料偏心加筋板状结构大变形分析的任意加筋板单元。在此模型中,肋骨可放置在板单元内任意位置和任意方向,因而在网格划分时,可不必顾及肋骨的具体位置。在板和肋骨的基本方程中,引用Von-Karman大变形理论计及大变形的影响,按照 Mindlin-Reissoner一阶剪切变形理论考虑横向剪切变形。任意加筋板单元具有和常规板单元相同的自由度。数值计算表明本文的有限元模型具有很高的精度。     

A computational model for analysing interactive buckling and delamination growth in composite structures

In this paper, a unified method is presented: (i) to model delaminated stiffened laminated composite shells; (ii) for synthesising accurate multiple post-buckling solution paths under compressive loading; and (iii) for predicting delamination growth. A multi-domain modelling technique is used for modelling the delaminated stiffened shell structures. Error-free geometrically nonlinear element formulations — a 2-noded curved stiffener element (BEAM2) and a 3-noded shell element (SHELL3) — are used for the finite element analysis. An accurate and simple automated solution strategy based on Newton type iterations is used for predicting the general geometrically nonlinear and postbuckling behaviour of structures. A simple method derived from the 3-dimensionalJ-integral is used for computing the pointwise energy release rate at the delamination front in the plate/shell models. Finally, the influence of post-buckling structural behaviour and the delamination growth on each other has been demonstrated.     

压缩载荷下复合材料整体加筋板渐进损伤非线性数值分析

建立了考虑脱粘的复合材料整体加筋板渐进损伤有限元分析模型。该模型采用界面单元模拟筋条与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准则和Hashin准则作为失效判据,基于ABAQUS软件,建立了含连续损伤状态变量的材料刚度退化方案。基于该模型,采用非线性有限元方法研究了压缩载荷下复合材料整体加筋壁板在考...