复合材料四结点四边形多层退化壳单元

本文提出了一个复合材料四结点四边形多层退化壳单元。单元从修正的Hu-Washizu变分原理导出,独立假设位移场、每层内部应变场和应力场。文中给出了几个复合材料板和壳静力线性问题实例。计算结果表明本文的单元是准确和有效的。     

三维四向编织复合材料力学性能预测及实验验证

基于三单胞模型,分别采用刚度平均化理论和数值分析方法对编织角为20°,30°,45°的三维四向编织复合材料的弹性常数及其随编织角变化规律进行预测,并在MTS试验机上开展了静态拉伸实验。结合理论分析、数值仿真与实验测试结果,发现随着编织角的增大,纤维束的刚度在纵向分量减小,而在横向分量增加,因此三维四向编织复合材料纵向刚度逐渐减小,横向刚度和横向剪切刚度逐渐增大。实验结果还发现不同编织角的复合材料纵向拉伸曲线具有较大差异,20°编织角实验件呈现线弹性,30°编织角实验件呈现非线性,45°实验件呈现双线性;而三种编织角的实验件的横向拉伸力学行为基本呈线性。通过与实验件纵横向拉伸实验结果对比,发现刚度平均化方法和数值模拟方法对三维编织复合材料编织方向刚度预测较为准确,但由于忽略了纤维与基体脱胶现象,对横向刚度预测偏差较大。     

编织角和承载方向对三维四向编织复合材料动态压缩性能的影响

利用分离式霍普金森压杆（SHPB）装置对三维四向编织碳纤维增强树脂基复合材料的动态压缩性能进行了研究。通过对编织角为20°、30°和45°的试验件分别进行沿纵向、横向和厚度方向的动态压缩试验,得到材料在800~2 000/s应变率范围内的应力-应变曲线,并与准静态压缩试验结果进行对比,研究了应变率、压缩方向及编织角对材料极限强度和弹性模量的影响。结合高速摄影记录的动态压缩过程,进一步分析了不同情况下材料的破坏模式与破坏过程。结果表明：应变率越高,材料的极限强度和弹性模量越大,材料在受压的三个方向上均具有一定的应变率强化效应,且高应变率下表现出比准静态压缩时更明显的脆性;编织角的改变对材料在三个方向上的动态压缩性能均有影响,其中对纵向的影响最为明显;不同方向受压时材料的失效形式不同,且准静态和高应变率下的失效形式也有区别。     

基于Z-A模型的GH4169高温合金动态本构关系

采用分离式霍普金森压杆试验研究了GH4169高温合金在温度20~400℃和应变速率1 000~3 000s-1时的流变应力-应变曲线,利用Zerilli-Armstrong(Z-A)本构模型描述了流变应力与应变的关系,确定了本构模型的参数,并对该模型进行试验验证。结果表明:GH4169高温合金存在明显的应变速率强化效应和温度软化效应,流变应力和应变呈近线性关系;所建立的Z-A本构模型能够准确地描述GH4169高温合金在不同温度和不同应变速率下的流变行为,其平均相对误差的平均值为2.65%。     

拟协调九结点四边形退化壳单元

本文根据胡－鹫津变分原理和退化壳有限元概念，构造了一个拟协调（或称杂交／混合）九结点四边形退化壳单元ＣＳＨ９．该单元克服了剪切闭锁和膜闭锁现象，整体上无零能模式，通过了分片检验。数值算例表明该单元是相当准确的和有效的。     

湿热老化对T700/TDE-85复合材料层间剪切强度的影响

对T700碳纤维/TDE-85环氧树脂(T700/TDE-85)复合材料进行人工加速湿热老化试验,研究了复合材料的吸湿特性和层间剪切强度随老化时间的变化规律,分析了吸湿率与层间剪切强度的关系,并观察了复合材料的表面和断口形貌。结果表明:当老化1 369h左右时,复合材料达到饱和吸湿状态,饱和吸湿率为0.74%,水分子在复合材料中的扩散系数为5.6×10~(-5) mm~2·s~(-1);在湿热老化初期,随老化时间的延长,复合材料层间剪切强度下降幅度较大,当达到饱和吸湿状态后,层间剪切强度下降幅度变小;复合材料层间剪切强度保持率与吸湿率呈近似线性关系;随老化时间的延长,复合材料的裂纹由层内向层间发展。     

粒子分离器涡形叶片金属块撞击损伤研究

研究粒子分离器涡形叶片受外物冲击损伤的规律,提高粒子分离器抗外物损伤设计能力,降低外物对航空涡轮轴发动机安全运行的影响。以冲击动力学为基础,通过冲击损伤试验方法,研究了金属块撞击粒子分离器涡形叶片的过程。采用瞬态响应测试系统,得到了金属块撞击涡形叶片的应变——时间历程;利用三坐标测量仪,获得了涡形叶片金属块撞击后的变形。对金属块撞击粒子分离器涡形叶片进行了数值仿真,对比分析了金属块撞击涡形叶片的试验结果与数值仿真结果。金属块(M6和M8螺栓)以0.2 Ma速度撞击涡形叶片时,涡形叶片的变形较小。     

三维四向编织复合材料宏观有限元模型冲击损伤仿真及试验验证

三维编织复合材料作为整体编织材料,能够克服层合复合材料层间强度低、易分层的缺陷,相对于金属材料,还具有质量轻、高比刚、高比强度以及良好的抗冲击性能、较高的损伤容限,在汽车、高铁、航海、航空及航天领域中具有广泛应用前景。使用空气炮发射系统开展了钢珠以约210 m/s速度冲击三维四向编织复合材料平板的不同位置试验,基于宏观观察和细观观测,分析了三维编织复合材料在受到钢珠高速冲击下的破坏模式和破坏机制。此外,本文建立了三维四向编织复合材料宏观连续介质损伤（CDM）有限元模型,其中模型计算剩余速度和试验测得剩余速度误差在5%以内,试验和数值模拟的破坏形貌也高度一致,验证了所建立的宏观CDM有限元模型的有效性。