以正交铺设层合板为面板的夹层板的临界载荷

本文求解了简支边界条件下,以正交铺设层合板为面板的复合材料夹层板在总体对称铺设和总体反对称铺设情况下的稳定问题。导出了这类夹层板对应于Hoff型夹层板理论的临界载荷计算式,并简要分析了面板耦合刚度对临界载荷的影响。      

对称层合板复合材料的屈曲变形解析

提出了如何利用2 元多项式位移函数来分析层合板复合材料的屈曲问题。在解析中同时 考虑到层合板的面外剪切变形。解析表明屈曲载荷在多项式项数大于20 以上时趋于稳定, 可得到 高精度的解。本文并对对称角铺设层合板进行了系统地数值解析, 明确了在各种边界拘束条件下 材料的工程弹性系数, 层合板长宽比, 铺层数, 层合角对屈曲载荷的影响, 从而以达到优化设计。同 时, 验证了本解析法对任意边界条件下的层合板的屈曲解析是非常有效的。      

复合材料层合板非线性热屈曲分析

本文基于高阶变形理论和修正型Hahn-Tsai非线性本构模型,提出一种复合材料层合板非线性热屈曲分析方法.针对四边简支反对称角铺设复合材料层合板,导出了非线性热屈曲临界温度封闭解.数值结果表明:材料非线性能显著降低层合板临界温度.      

面内线性变化载荷作用复合材料层合板的振动与屈曲优化

采用广义微分求积（GDQ）法开展了不同边界条件下承受面内线性变化载荷作用复合材料层合板振动与屈曲的分析与优化。针对GDQ法求解面内线性变化载荷工况复合材料层合板屈曲问题存在计算振荡、不收敛现象,提出载荷扰动策略实现了GDQ法对复合材料层合板屈曲问题的稳定高效求解。基于基础圆频率和临界屈曲载荷系数的归一化指标,分析了铺层角度对复合材料层合板综合性能的影响,并结合直接搜索模拟退火算法开展了复合材料层合板的铺层顺序优化。结果表明:铺层角度变化对屈曲性能的影响明显强于频率特性;面内线性变化载荷中,以弯曲载荷作用下复合材料层合板的优化综合性能受边界条件变化的影响最小,而优化铺层角度受边界条件变化的影响最大。研究结果为复杂载荷作用下复合材料层合板的设计提供了参考。      

弯剪复合载荷作用下复合材料层合板屈曲的强度校核方法

基于复合材料各向异性板的大挠度方程,采用Ritz法和最小势能原理推导出了正交各向异性复合材料层合板在面内弯曲载荷作用下临界屈曲弯矩的解析解;给出了面内弯剪复合载荷作用下复合材料层合板屈曲的强度校核方法,并将本文方法所得结果与用有限元法（FEM）所得结果进行了比较。结果表明,本文方法与有限元方法相吻合,并且形式简洁,便于工程应用。     

纤维增强复合材料层合板屈曲性态分析的边界元法

本文用边界元法分析了纤维增强复合材料正交各向异性层合板的屈曲性态。为了克服在用边界元法求解正交各向异性层合板屈曲时寻求相应的基本解的困维,本文采用了双重傅立叶级数和引用等效荷载的概念,建立了层合板屈曲临界荷载的特征方程。算例说明了本文方法的可行性和有效性。      

含任意分层缝纫正交层合板压缩屈曲分析

建立了分析含任意形状分层的缝纫增强复合材料层合板压缩屈曲问题的连续分析模型。该模型允许缝纫层合板含有一个或多个形状不同的分层。分析结果表明,缝纫针脚在分层区域的分布、缝纫密度和缝线的等效刚度系数对分层子板的压缩屈曲应变均有较大影响。      

含脱层纤维增强复合材料层合板在湿热环境下的屈曲分析

依据复合材料细观力学研究了含脱层的正交各向异性复合材料层合板的力学性能与温度和湿度的关系,在宏-细观力学模型框架下建立了考虑湿热效应的屈曲控制方程,利用空间上分离变量的方法求解了控制方程,得到满足连续性条件和边界条件的控制方程的解。通过含脱层的复合材料层合板的屈曲数值算例,综合讨论了几何参数、材料参数和湿热环境等多方面的参数变化对含脱层的正交对称铺设复合材料层合板的临界屈曲载荷的 影响。     

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。     

复合材料层合板屈曲稳定性优化设计及其灵敏度计算方法

笔者在有限元分析基础上研究了以屈曲稳定性作为约束条件或优化目标的复合材料层合板结构优化设计及其灵敏度分析方法,重点讨论了屈曲临界荷载灵敏度对内力场和载荷的依赖关系及其在铺层优化、尺寸优化和形状优化问题中的不同计算方法,并在JIFEX软件中实现了复杂结构复合材料层合板优化设计方法。数值算例验证了本文算法和程序的有效性。     

双稳定矩形非对称复合材料层板的跳变研究

对双稳定矩形非对称复合材料层合板两种稳定构型的跳变行为进行了实验和数值研究。通过实验测得中心加载下层合板两种稳定构型跳变的临界载荷, 建立了两种稳定构型的非线性有限元分析模型, 成功预报了层合板固化后的两种稳定构型, 并进一步预报了两种稳定构型的跳变临界载荷, 预报结果与实验结果吻合良好。实验和有限元模拟结果表明, 中心加载下矩形非对称层合板两种构型的临界载荷相差较大, 并且跳变的过程有所差异。      

考虑制造因素的变刚度层合板的抗屈曲铺层优化设计

与常规层合板相比,变刚度层合板的制造、有限元建模分析和铺层设计有其特殊之处。首先对设计时需考虑的制造因素进行了归纳,提出了变刚度层合板的铺层设计要求。然后给出了变刚度层合板的理想模型和考虑丝束宽度模型的建模方法。基于理想模型对ABAQUS的前处理模块进行二次开发,利用编制的参数化建模程序分析了不同铺放角的变刚度层合板的屈曲性能,并讨论了最小曲率半径对铺层的限制和变刚度设计提高屈曲载荷的机制。基于变刚度层合板的抗屈曲机制建立了一种铺层优化设计方法,使用遗传算法经两步优化得到最优铺层。对最优铺层建立考虑丝束宽度的模型以研究丝束宽度和铺层偏移对变刚度层合板抗屈曲铺层优化结果的影响。研究表明,在变刚度层合板的抗屈曲铺层优化中使用简化的理想模型通常来说是可行的。在考虑制造因素的情况下,优化后的变刚度层合板较常规层合板屈曲载荷有显著提高。     

Response of multilayered composite laminates to dynamic surface loads

A theoretical investigation of the response of multilayered composite laminates to concentrated and distributed dynamic surface loads is carried out. Each layer of the laminate is assumed to be transversely isotropic and dissipative with arbitrarily oriented symmetry axis. The dissipative property of the material is modeled approximately through the introduction of a frequency-dependent damping function. A multiple transform technique is used to calculate the spectra and time histories of the displacements and stresses produced by a variety of dynamic loads, and the quantitative features of the waves produced in the laminate are determined. The methodology developed in this work is expected to be useful in the prediction of the response of composite laminates to impact loads and also in the characterization of acoustic emission (AE) sources in these materials under static and dynamic loads.     

Buckling analysis of delaminated laminates with consideration of contact in buckling mode

This paper concerns the buckling load analysis of laminates with a pre‐existing delamination, using the finite element method based on the Mindlin plate theory. To deal with the contact problem in the buckling mode, an effective algorithm is presented. In this method, an iterative updating process based on the first‐order sensitivity analysis and the quadratic programming technique is proposed to compute the fictitious forces in contacting areas at first. These fictitious forces are then transferred into the stiffness parameters of some artificial springs. The original stiffness matrix of system can be modified, using these artificial springs. Finally, the penetration between two delaminated layers in the buckling mode can be prevented effectively. Numerical examples show that this method is very efficient to solve the contact problem in eigenvalue analysis from the viewpoint of its accuracy, stability and convergence speed. The effects of contact and delamination size on the buckling load analysis are also investigated. Copyright © 1999 John Wiley & Sons, Ltd.     

Fracture of fatigue-loaded composite laminates

While the quasi-static fracture load of many composite laminates can be estimated with engineering accuracy, the fracture event itself has not been clearly characterized and is incompletely understood. When cyclic loading is present, the pre-fracture damage state is altered significantly, so that estimating strength (or residual strength) is greatly complicated. The present paper examines this complexity and attempts to assess the manner in which pre-fracture fatigue damage affects residual strength and the fracture event. It is found that the large strength reductions observed prior to failure at low load levels can be accounted for by internal stress redistribution and material degradation events. A careful chain of physical evidence in support of this approach is presented.     

考虑多尺度界面力学特性的损伤复合材料层合板分岔屈曲性能的等代化

提出了一种等效理论来分析含损伤碳纤维增强树脂T300/QY8911复合材料层合板的分层屈曲。针对含贯穿脱层层合板产生面外弯曲后的受力特点,引入损伤界面的接触效应,根据精确模型所给出的多尺度变形失效机制,提出了一个基于刚度等效理论来分析损伤层合板结构失效的力学性能。通过将含脱层的区域等效成一个几何形状和铺设方式完全一致,但刚度相应折减的完善子板,运用三分区模型,根据板壳理论、复合材料力学等基本原理建立各子板的屈曲控制方程,同时结合边界条件和连续性条件求解。算例分析表明,本文所得的屈曲荷载与考虑接触效应精确模型所得的解析解及ABAQUS有限元结果高度吻合。该研究方法充分考虑了脱层带来的刚度降低以及由于分层界面处非线性抗穿透约束的影响,不仅大大简化了繁琐的推导过程和节省了计算量,而且揭示了深层次的力学机制,更为主要的是,该方法可以有效推广到含多分层损伤层合板的非线性力学性能的评估,为航空航天先进复合材料的结构设计和力学分析提供有力的技术支持。      

Bezier曲线变角度层合板设计及屈曲特性分析

基于二次Bezier曲线法,开展纤维变角度层合板的屈曲特性研究。首先,对原始的二次Bezier曲线进行了扩展,提出了分段式二次Bezier曲线变化方法,重新定义了纤维变角度铺放参考路径,确定了变角度层合板的表示形式。其次,以[0±20(β)65]_(2s)和[90±20(β)65]_(2s)为例对变角度层合板的屈曲特性进行了有限元分析,并与定角度层合板对比。最后,研究了不同终止角α和连接点参数β对层合板屈曲性能的影响,结果表明:连接点参数β的增大使得两种变刚度层合板的线性屈曲载荷先增大后减小,终止角大于起始角时,层合板的一阶屈曲载荷逐渐增大,铺放角度的增大有利于层合板屈曲载荷的提高。     

Modeling nonlinear rate dependent behaviors of composite laminates

Abstract

This study aims to propose a simple explicit model for predicting the nonlinear rate dependent behaviors of composite laminates. Using one parameter plastic potential to describe the flow rule, the viscoplasticity model is expressed as a single master effective stress‐effective plastic strain curve in the form of a power law with a rate dependent amplitude. Based on the viscoplasticity model together with the laminated plate theory, the incremental form of the constitutive formulation is derived to model the nonlinear rate dependent behaviors of composite laminates. Symmetric glass/ epoxy and graphite/epoxy composite laminates were tested at three different strain rates and the experimental results were then compared with the model predictions. It was indicated that the proposed constitutive model is effective in characterizing the nonlinear rate dependent behaviors of composite laminates at strain levels up to 1%.     

复合材料层合板基体裂纹的协同损伤演化模型

首先,为研究复合材料层合板在准静态载荷下的基体裂纹演化特征,提出了一个基于能量的协同损伤演化模型。然后,通过模型对损伤进行了多尺度分析:从微观角度,采用三维有限元方法求得裂纹表面位移;从宏观角度,结合裂纹表面位移,推导了萌生基体裂纹的能量释放率。最后,根据裂纹萌生准则对基体裂纹的演化过程进行预测。模型考虑了演化过程中损伤的相互影响、残余应力、基体材料非线性、材料初始损伤分布及损伤演化的不均匀性。根据演化分析流程计算了[±θ/904]s铺层玻璃纤维复合材料的基体裂纹演化过程。结果表明:这一模型能够准确地预测准静态载荷下复合材料层合板基体裂纹的损伤演化规律。