复合材料层合板压缩载荷下渐进损伤分析与试验验证

基于渐进损伤分析方法,建立了复合材料层合板的三维有限元模型。该模型包含应力分析求解、单元失效判定和损伤单元材料性能退化。采用了修正的带剪切非线性的Hashin准则作为单元的失效判据,使用Camanho模型对失效单元进行材料性能退化。通过编写用户自定义材料子程序(UMAT),实现了失效准则与材料退化准则在Abaqus中的应用。并对有限元模型进行了试验验证。计算值与试验值之间误差为8.7%。有限元计算得出的失效位置与失效模式和实验吻合很好,结果表明本文模型能合理进行层合板的强度预测和失效分析。     

含孔复合材料层合板的疲劳寿命研究

建立了三维有限元模型,分析了复合材料层合板的应力场。使用修正Hashin失效准则判定复合材料的失效模式,并突降失效单元的材料性能。疲劳载荷引起复合材料刚度降和强度降依靠缓降模型实现。笔者将突降模型和缓降模型植入有限元模型中,模拟了复合材料层合板在拉伸和压缩疲劳载荷下的渐进损伤过程,并计算了层合板的纵向刚度损伤和疲劳寿命。层合板的纵向刚度损伤具有三阶段特点,与试验观察是一致的。层合板疲劳寿命预测值与试验值吻合地很好。     

间隙补偿及液体垫片参数对层合板单层与层间应力的影响

在飞机装配中,一般采用液体垫片对复合材料层合板构件之间较小的装配间隙进行补偿。以复合材料层合板机械连接中典型的单螺栓连接为对象,考虑强迫装配(未实施间隙补偿)与采用液体垫片实施间隙补偿两种情况,设计了层合板应变测量实验;其次,利用ABAQUS建立有限元模型并进行计算验证,有限元模型计算结果与实验测量数据的吻合度较好。根据建立的模型,研究了间隙补偿及不同液体垫片参数下,层合板的单层面内应力与层间应力的变化。有限元分析结果表明:相对于强迫装配,随着间隙的增大,液体垫片对于改善层合板的应力分布、减小应力幅值、增强抗分层能力的作用愈加显著;三代液体垫片对层合板各单层面内应力与层间应力的影响差异非常微小;大幅增加垫片弹性模量后,单层面内应力的影响效果将明显提升。     

复合材料电梯层门强度特性研究

针对电梯层门应用复合材料的强度特性问题,对层门门扇及筋板进行了复合材料反对称正交铺层设计,利用复合材料有限元法与Tsai-Wu强度失效准则,对其结构强度特性进行了研究。在层门型式试验验证有限元模型有效的基础上,分别选取单轴玻璃纤维环氧树脂(E-G)和碳纤维环氧树脂(E-C)材料,详细对比了不同层门门扇厚度、筋板个数对层门强度特性的影响。研究表明:在反正对称正交铺层设计下,E-G与E-C复合材料层门均可满足电梯层门设计要求,E-G与E-C复合材料横向压缩强度幅值数倍于横向拉伸强度,门扇内侧区域面内受最大拉伸应力,而外侧区域受最大压缩应力,其层门强度特性主要由横向应力分布主导;提高复合材料性能、门扇厚度和筋板个数目均可有效改善层门整体强度特性。     

超薄单层复合材料缠绕压力容器承载性能研究

针对压力容器承载性能,基于经典层合板刚度等效理论,提出了一种可以考虑复合材料缠绕层单层厚度的压力容器承载性能分析方法;与实际铺层有限元模型进行对比,验证了分析方法的有效性;对不同单层厚度的复合材料进行了单向拉伸试验,获得材料强度与单层厚度的关系;分析了超薄单层复合材料缠绕压力容器的应力分布、失效系数分布及失效压力。结果表明,超薄单层复合材料缠绕压力容器的应力和损伤分布更为均匀,失效内压较常规单层厚度复合材料可提高54.5%。该研究成果可为超薄单层复合材料缠绕压力容器的结构设计提供可靠的理论参考。     

混合复合层材料增强金属内衬圆柱壳失效机理研究

重点针对混合复合层材料增强金属内衬圆柱壳在旋转或者内压载荷下的失效机理进行了研究.首先,通过有限元法建立圆柱壳的应力计算模型,并进行试验验证;其次,通过理论分析,明确随着载荷增加,金属内衬的应力率先达到屈服强度,并分析金属屈服后对复合材料层应力的影响;最后,设计验证试验,建立复合材料各层应力与爆破压力关联性方程,明确了...     

开孔层合板双轴拉伸渐进损伤分析与试验验证

基于渐进损伤分析方法,建立十字架层合板[0/90]4 s的逐渐损伤有限元模型。通过开发参数化应用程序,实现在ANSYS中的仿真应用。研究分析3种加载比对层合板双轴拉伸强度与破坏行为的影响,将有限元模型与试验进行对比验证,其强度计算值与试验值之间最大误差为9%。有限元仿真得出的失效位置与试验吻合较好,可见该模型能合理预测层合板双轴强度并可用于失效分析。     

复合材料层间增韧机理的有限元分析

在复合材料层间植入韧性夹层,可以有效提高层间韧性,其增韧机理在于夹层可以有效降低纤维层对裂纹尖端的约束,并降低裂纹尖端应力.文中建立层间裂纹的有限元模型,采用数值分析方法,分别计算加入夹层前后裂纹尖端的J积分值、应力强度因子以及裂纹尖端的应力场.计算结果表明,加入夹层后Ⅰ型和Ⅱ型层间裂纹尖端的J积分、应力强度因子和裂尖应力场均显著降低,并指出在夹层和相邻纤维层间界面附近出现的高应力区是造成界面失效的一个原因.     

粘性系数对复合材料层合板的渐进损伤影响

在渐进失效分析法的基础上,为研究粘性系数(η)对层合板结构最终失效的影响,以含有中心贯穿式孔裂纹的E-glass/HT907复合材料层合板为研究对象.采用工程上使用较为普遍的Hashin准则作为结构失效单元的判别依据,结合各种损伤模型,对层合板结构的破坏机理、材料失效后的损伤扩展过程以及结构发生破坏后的最终失效载荷进行了合理阐述.利用此方法探讨了不同粘性系数影响下对复合材料结构的极限承载力的影响,同时可以清楚的了解到材料结构的局部和整体应力损伤分布情况以及发生损伤后载荷的重新分布和损伤扩展途径,为基于有限元复合材料层合板结构的极限承载力分析、设计提供参考.试验表明,此预测结果与试验结果基本吻合.     

夹持力对填充孔复合材料层合板层间应力的影响分析

提出了采用螺栓填充孔形式研究复合材料层合板连接接头孔边层间应力分布规律,并建立了含零厚度界面胶层的三维有限元模型对受面内拉伸载荷的层合板孔边层间应力进行求解。结果表明:层间正应力沿孔分布主要受螺栓夹持力影响,相同夹持力下,不同界面层的层间正应力集中在同一范围内波动;层间剪切应力既受到螺栓夹持力影响又与界面层的类型有关系,如[-45/90]和[0/-45]界面层层间剪切应力整体取值大于其他界面层;螺栓夹持力引起的层间正应力主要为压应力,对层间强度有益,但同时产生的层间剪切应力不利于层间强度的提高,因此存在合适的螺栓夹持力使复合材料接头具有良好的孔边层间强度。     

切向加载下螺栓连接复合板的失效分析*

极限载荷和孔周应力是导致螺栓连接复合板失效的主要因素。基于Hashin失效准则和有限元模型建立螺栓连接复合板的渐进损伤有限元模型,通过位移载荷响应讨论预紧力、界面摩擦因数和孔隙变化对极限载荷的影响,分析不同铺层角下孔周应力分布规律。结果表明：随预紧力增大,螺栓连接复合板极限载荷先增大后减小,随摩擦因数增大,螺栓连接复合板极限载荷逐渐增大;不同孔隙下准线性阶段位移载荷响应基本一致,孔隙对极限载荷的影响主要体现在滑移阶段及剪切变形阶段;孔隙增大会减小螺栓与螺孔间的有效接触面积,影响螺栓连接的压力分布和强度;纤维铺层方向与应力分量同向时可有效减少外载荷导致的该方向应力分量的变化,且主应力分量皆在承压区域达到其最小值;应力分量方向与纤维铺层方向相同且该方向无外载荷作用时,应力分量随着角度从承压区到非承压区递增变化。     

基于随机有限元的可靠度计算

基于随机有限元 ,研究了复杂机械零件的可靠度计算。根据随机有限元算法 ,编写了计算机程序 ,求出了变形、应力的均值和方差。应力、强度概率密度函数确定可采用应力 -强度干涉模型 ,用公式或数值积分求可靠度。应力、强度概率密度函数不确定 ,用 Monte- Carlo法。基于极限状态方程 ,研究了优化方法求可靠度 ,采用了遗传算法。考虑模糊因素对复杂机械零件可靠性影响 ,给出了模糊可靠度计算公式。随机有限元使复杂机械零件可靠性预测成为可能     

基于有限元方法的排气歧管后法兰疲劳模拟计算

为了解决排气歧管后法兰断裂问题,重现故障模式并对优化结果进行验证,采用有限元分析方法对排气歧管后法兰进行疲劳分析。运用ABAQUS计算出各工况的Mises应力以及各主应力,并计算出危险位置的疲劳安全系数。可以看出:分析很好地再现了故障发生的位置。优化后模型的安全系数达到要求,并且通过了试验验证。     

用有限元法进行结构强度计算时极限应力的确定

有限元法在结构强度的分析与计算中的应用越来越广泛 ,但是在分析中相应极限应力的确定尚存在一定的误区。本文应用“当量设计”的概念 ,针对这一误区进行了深入研究 ,揭示了用有限元法进行结构强度计算时 ,合理确定极限应力的方法与应注意的问题。通过对实验结果的分析 ,给出了对航空齿轮有限元分析时相应的齿根弯曲疲劳极限。     

V形切口尖端裂纹起裂方向的主应力判别准则及其验证

围绕V形切口尖端裂纹起裂方向,分析了V形切口尖端裂纹应力场、位移场、应力强度因子,提出了裂纹起裂方向的主应力判别准则。首先,详细给出了V形切口尖端应力应变场的求解方法,通过裂纹尖端场本征值的三次线性拟合及误差分析,确定了V形切口尖端裂纹位移场;然后,建立了V形切口尖端的数值分析模型,运用数值计算方法确定了应力强度因子和切口强度因子,提出了V形切口尖端裂纹起裂方向的主应力判断准则,给出了外推法求解分析过程;最后,以LY8为试验材料,在张角2β＝60°的V形切口情况下,对提出的V形切口尖端裂纹起裂方向计算方法与判别准则进行了试验验证。     

Finite element analysis of stress concentrations and failure criteria in composite plates with circular holes

In this study, the stress concentration factors (SCF) in cross-and-angle-ply laminated composite plates as well as in isotropic plates with single circular holes subjected to uniaxial loading is studied. A quadrilateral finite element of four-node with 32 degrees of freedom at each node, previously developed for the bending and mechanical buckling of laminated composite plates, is used to evaluate the stress distribution in laminated composite plates with central circular holes. Based up on the classical plate theory, the present finite element is a combination of a linear isoparametric membrane element and a high precision rectangular Hermitian element. The numerical results obtained by the present element compare favorably with those obtained by the analytic approaches published in literature. It is observed that the obtained results are very close to the reference results, which demonstrates the accuracy of the present element. Additionally, to determine the first ply failure (FPF) of laminated plate, several failure criterions are employed. Finally, to show the effect of E ₁/E ₂ ratio on the failure of plates, a number of figures are given for different fiber orientation angles.     

铺层结构对CFRP准各向同性板损伤破坏的影响

研究铺层结构对CFRP(Carbon fiber reinforced plastics)准各向同性板损伤破坏和最终失效强度的影响，对几种不同的CFRP层合板进行拉伸试验，观察其损伤形态，并测定最终抗拉强度。利用有限元程序对完整结构以及带裂纹结构进行数值分析，讨论铺层结构、应力的数值分析结果以及损伤破坏之间的对应关系。     

Evaluation of stress and crack behavior using the extended finite element method in the composite layer of a type III hydrogen storage vessel

To facilitate the widespread use of fuel cell vehicles, it is necessary to ensure the safety of high-pressure hydrogen storage vessels. Because the composite layer experiences the highest internal pressure, cracks in the carbon fiber reinforced plastic (CFRP) layer of type III high-pressure vessels directly affect their safety. In this study, we evaluate the crack behavior in a type III high-pressure hydrogen vessel using a ply modeling method and the extended finite element method. The failure criteria were determined from the maximum principal stress and displacement that exceed the allowable tensile strength, considering the fiber and the transverse directions of each ply. The weak point of the CFRP composite layers was in the transverse direction on the 17th ply at a helical winding angle of 35° in the boundary of the dome and the cylinder. The crack extension was resulted from exceeding the allowable transverse stress at 35° winding angle. These results may be valuable for ensuring the safety of high-pressure hydrogen vessels.     

MW级风机塔筒门框焊缝的强度分析

运用有限元分析软件ANSYS建立某MW级风力发电机塔筒门框的有限元模型,分析了其在极限载荷下的静强度; 同时采用热点应力法对门框焊缝进行疲劳分析,基于临界面理论计算热点应力,并利用雨流计数法和Palmgren-Miner线性累积损伤理论计算了门框焊缝的疲劳损伤,结果表明,门框焊缝的极限强度和疲劳强度均满足使用要求。     

运转中啮合轮齿的三维应力应变数值分析及实验研究

把轮齿啮合接触分析、三维弹性接触有限元分析、有限元前后处理技术及计算机图形显示等最新数值方法结合起来,采用降低内存要求、减少CPU时间的改进方法,编写出自动化、模块化、通用化的齿轮传动三维接触数值分析软件,并成功地应用于斜齿轮和准双曲面齿轮,求得了许多用解析法和实验方法所无法求得的结果,这些分析结果已为密栅云纹试验、啮合轮齿的三维光弹性试验结果所证实。