含缺陷平纹机织复合材料拉伸力学行为数值模拟

基于平纹机织复合材料的细观结构单胞模型, 考虑其制备过程中产生的孔隙缺陷为随机分布的特征, 通过引入两参数Weibull分布函数, 应用Python语言实现了ABAQUS的二次开发, 并采用Linde等提出的失效准则, 建立了含孔隙缺陷平纹机织复合材料的渐进损伤模型, 利用有限元数值方法模拟了其拉伸应力-应变行为, 针对该模型, 讨论了孔隙缺陷对材料拉伸应力-应变行为的影响, 并阐述了该平纹机织复合材料单胞模型在经向拉伸载荷作用下其纤维束的损伤及演化过程。结果表明, 该模型给出的数值模拟结果与实验数据吻合较好, 证明了模型的有效性, 为该类材料的优化设计及其力学性能分析提供了一种有效方法。      

炭/环氧复合材料拉伸损伤声发射特性及细观力学分析

对单向碳/环氧复合材料拉伸断裂过程进行了声发射监测,结合拉伸过程的细观力学分析,探讨了复合材料拉伸断裂的机理。结果表明,碳/环氧复合材料拉伸损伤过程可以分为三个阶段:弹性变形阶段、损伤发展与累积阶段和临近断裂阶段。弹性变形阶段基本无明显损伤发生;损伤发展与累积阶段主要是基体及界面损伤,该损伤先随载荷快速增大,到达峰值后又迅即减小;临近断裂阶段时声发射信号相对平静,但炭纤维开始发生集群损伤,这预示了灾难性断裂的到来。应用三维单胞模型,分析了引起各阶段损伤的原因。     

三维织造层间增强的纤维棒复合材料细观结构模型及力学性能有限元模拟

针对复合材料层间增强的需求,提出了一种三维织造层间增强的纤维棒复合材料几何结构,建立了0°/90°、45°/135°及0°/90°/45°/135°3种织造方案下的复合材料单胞有限元模型,该模型能较为真实地反映织造物内纤维束与纤维棒的交织特征。通过施加周期性位移边界条件,利用该模型采用有限元方法得到了3种织造方案下复合材料的等效弹性性能参数,讨论了复合材料弹性性能与织造方案和纱线填充因子的关系,分析了在单向拉伸载荷下3种织造方案单胞的细观应力场分布,制作了实体模型,进行了相关实验。结果表明:单胞有限元模型的模拟结果与实验结果吻合较好,织造复合材料各弹性常数对纱线填充因子变化的敏感度不同,不同织造方案的复合材料具有不同的力学性能特征,其主要影响因素为纤维束在复合材料内部的排列方式。给出了3种织造模型单胞的应力场分布,为三维织造层间增强的纤维棒复合材料的结构优化提供了依据。     

织物结构对复合材料力学性能影响的试验研究

为探讨不同结构形式织物对复合材料力学性能的影响及其损伤破坏机制之间的差异,通过宏观拉压试验,研究了经编及平纹碳纤维织物增强树脂基复合材料的拉伸及压缩力学性能,并利用声发射对试验过程进行实时监测,对破坏后的断口进行显微镜观察分析,分别给出了两种材料的拉伸和压缩破坏机制.研究结果表明:织物结构形式对复合材料的力学性能有较大影响,与经编织物复合材料相比,平纹织物复合材料的拉伸、压缩强度均较低,且其拉伸、压缩破坏试样的断口相对齐平,分层现象不明显;根据声发射监测结果可以判定两种复合材料损伤过程中的损伤类型,与经编织物相比,平纹织物复合材料拉/压过程中的声发射电压信号相对稳定且整体强度较低.     

二维二轴1×1编织复合材料细观结构模型及力学性能有限元分析

考虑纤维束相互挤压及横截面形状变化, 采用纤维束截面六边形假设, 建立了二维二轴1×1编织复合材料的参数化单胞结构模型。通过引入周期性位移边界条件, 基于细观有限元方法, 对编织材料的弹性性能进行预测, 讨论了编织角及纤维体积含量对面内弹性常数的影响, 并分析了典型载荷下单胞细观应力场分布。研究表明: 单胞结构模型有效反映了纤维束的空间构型和交织特征, 实现了不同编织工艺参数下模型的快速建立; 基于单胞有限元模型的弹性性能预测结果与试验结果较为吻合; 模型给出了单胞合理的应力场分布, 为二维编织复合材料的结构优化和损伤预测奠定基础。      

缠绕线型对缠绕复合材料圆管轴向拉伸失效的影响

采用细观刚度模型的有限元分析（FEA）与改进的逐渐累积损伤方法相结合,建立了缠绕复合材料圆管轴向拉伸失效的分析方法与流程,以揭示缠绕线型对缠绕复合材料损伤失效的影响。对沿圆周方向分布有1个、3个和5个单胞的3种不同线型的缠绕复合材料圆管试件进行轴向拉伸破坏实验,获得其失效形式、平均拉伸强度及其随缠绕线型的变化规律。研究表明：缠绕复合材料圆管轴向拉伸失效主要以丧失承载能力的功能失效为主,缠绕线型对其拉伸强度有一定的影响;数值分析结果表明,轴向拉伸过程中,主要损伤为基体开裂与基纤剪切,纤维交叉容易引起损伤起始与扩展。     

声发射技术在三维编织C/SiC复合材料拉伸损伤分析中的应用

通过声发射技术(Acoustic Emission简称AE)对三维编织C/SiC复合材料试件单向拉伸实验过程进行全程动态监测,利用声发射特征参数的综合分析法揭示了三维编织C/SiC复合材料单向拉伸时损伤演化过程和规律。实验结果表明三维编织C/SiC复合材料单向拉伸时损伤发展的四个阶段及声发射特性并利用声发射相对能量定义了材料临界损伤强度。     

基于声发射信号的三维针刺C/SiC复合材料拉伸损伤演化研究

本研究对三维针刺C/SiC(3-dimension needled C/SiC, 3D-N C/SiC)复合材料进行室温单调拉伸和拉伸加载-卸载试验, 利用声发射技术对试样损伤演化进行动态监测。采用K-均值聚类分析方法对小波降噪后的声发射信号进行了损伤模式识别, 结合试样断口扫描电镜观测, 发现3D-N C/SiC复合材料在拉伸载荷作用下主要存在五类损伤模式: 基体开裂、界面脱粘、界面滑移、纤维断裂和纤维束断裂。通过快速傅里叶变换(FFT)方法对小波降噪后的信号进行频谱分析得出: 3D-N C/SiC复合材料在拉伸载荷作用下主要存在240、370和455 kHz三种频率的损伤信号, 分别对应于界面损伤、基体损伤和纤维损伤。结合单调拉伸试验过程声发射信号能量柱分布和加卸载过程累积能量曲线特征, 分析了试样损伤演化机理。     

基于声发射检测技术的PE/PE自增强复合材料破损机理分析

用声发射(AE)技术研究了聚乙烯自增强复合材料的拉伸损伤与断裂行为.宽带传感器记录了不同角度纤维铺层的复合材料试样在拉伸破坏过程中的声发射信号,用扫描电子显微镜(SEM)观察了试样的几种典型的损伤破坏断面,对比分析了不同类型的损伤机制.实验分析表明,拉伸过程中破坏机制对声发射信号的特征具有显著影响,不同损伤模式的信号频谱特征存在明显的差异.声发射检测能有效提取热塑性复合材料损伤破坏信息,在材料的结构损伤主动监测中有良好的应用潜力.     

基于声发射技术的单丝复合材料界面性能研究

为了克服传统单丝断裂实验局限于透明及高应变树脂的缺点,进一步拓展其应用范围,将声发射技术与传统单丝断裂实验相结合以评估单丝复合材料界面性能.通过声发射技术监测了单丝复合材料的断裂过程,采用参数分析、波形分析以及聚类分析对单丝复合材料拉伸过程中的声发射信号特征进行研究,并与显微镜观察法测得的纤维断裂模式和界面剪切强度相对比。实验结果表明:声发射技术可以对单丝复合材料断裂过程中的断裂模式和界面性能进行高效评估,采用该方法分析得到的界面剪切强度与传统单丝断裂实验中的光弹花样观察分析结果一致。声发射技术可以拓展单丝断裂实验的研究对象,为单丝界面剪切强度的计算提供一种高效、通用的评价方法。     

Tension–tension fatigue behavior of layer-to-layer 3-D angle-interlock woven composites

The tension–tension fatigue behavior of (the layer-to-layer) three-dimensional angle-interlock woven composite (3DAWC) was investigated using the acoustic emission (AE) technique, examination of damaged regions via light microscopy and micro-CT, and finite element analysis (FEA). AE events occurred during the entire fatigue process, and damage modes were determined based on cumulative fatigue damage of the 3DAWC undergoing tension-tension cyclic loading. FEA was employed to determine stress distribution and specific regions of stress concentrations within the composite structure. Debonding occurred at the warp tow-matrix-weft tow interface where the warp tows exhibited a maximum in amplitude of undulation. In addition, interrupted tests were performed to investigate fatigue damage modes of the 3DAWC at specific points in the fatigue life. Fatigue damage occurred in three distinct stages with characteristic damage modes.     

钢球颗粒增强锌铝基复合材料界面微观应力场分析

有限元计算细观力学在复合材料应力传递机制的研究中得到了广泛应用。研究不同情况下复合材料内的应力场分布规律,对认识材料的损伤机制,指导复合材料设计,具有重要的理论与实际意义。本文主要通过有限元对锌铝基复合材料界面微观应力场进行研究,建立单向拉伸（或压缩）情况下的分析模型,计算界面处在拉应力与压应力两种情况下的基体和填充体的应力分布,分析复合材料破坏的根本原因。拉伸应力作用下复合材料经常于界面处产生脱粘,脱粘位置一般发生在极区。压缩时裂纹的产生与扩展机理同拉伸不一样,它不是主拉伸应力的作用,其裂纹的产生与扩展,可能是基体在塑性流变过程中大量的位错在增强相处受阻塞积的结果。     

10kN载荷下钢丝绳拉伸模拟及其声发射特征分析

利用Solidworks软件对材料为AISI 316的6×7IWS型钢丝绳在拉伸过程中伴随的声发射特征进行三维建模,并对其进行约束、网格划分和施加载荷.通过有限元分析得到了钢丝绳在10kN载荷下的应力、应变、合位移的大小及分布情况,并根据应变结合拟合的损伤因子方程可以得到钢丝绳中的声发射累积能量的相对值.结果表明,应力分布沿轴向、径向近似对称,应变ε最大值为0.105 102 1,最小值为0.001 180 06,损伤因子D可以间接地反映钢丝绳的声发射累积能量.     

液体垫片对复合材料单搭接螺栓接头力学性能的影响

复合材料构件由于存在制造误差,装配时常常产生间隙,消除间隙的一种基本手段是向其中填充液体垫片。以复合材料单搭接螺栓连接接头为研究对象,设计了拉伸实验,选取一种改进的失效准则与对应的材料退化准则建立了渐进损伤有限元分析（FEA）模型,在此基础上研究了液体垫片对复合材料单搭接接头强度、刚度等力学性能的影响及复合材料孔内损伤演化的过程,此外还研究了液体垫片孔边的应力-应变状态。由实验与有限元结果可以得出：随着液体垫片厚度的增加,接头的拉伸刚度与峰值载荷均有所降低;相同载荷下复合材料孔内损伤加剧,孔内单元产生初始损伤时对应的载荷降低;但液体垫片厚度的增加可以降低垫片孔边的应力与塑性应变峰值,并使其分布更加均匀化,改善液体垫片孔边受力状态。     

多相复合陶瓷刀具材料残余热应力的有限元模拟

以SiC和(W,Ti)C颗粒增强Al₂O₃多相复合陶瓷刀具材料为基础,运用有限元方法详细研究了材料内部残余热应力的大小与分布形态。计算结果发现,单元模型取法、弥散相颗粒大小、分布及其含量均对多相复合陶瓷刀具材料中的残余热应力有较大影响。基体内不仅存在拉应力区,而且存在不同程度和范围的压应力区,拉、压应力区的结构形式与弥散相颗粒的分布方式密切相关。研究表明,残余热应力的存在与材料的力学性能和微观结构有着密切的关系。      

Acoustic emission analysis of composite pressure vessels under constant and cyclic pressure

The use of acoustic emission (AE) for the detection of damage in carbon fibre composite pressure vessels was evaluated for constant and cyclic internal gas pressure loading conditions. AE was capable of monitoring the initiation and accumulation of damage events in a composite pressure vessel (CPVs), although it was not possible to reliably distinguish carbon fibre breakage from other microscopic damage events (e.g. matrix cracks, fibre/matrix interfacial cracks). AE tests performed on the carbon fibre laminate used as the skin of pressure vessels revealed that the development of damage is highly variable under constant pressure, with large differences in the rupture life and acoustic emission events at final failure. Numerical analysis of the skin laminate under constant tensile stress revealed that the high variability in the stress rupture life is due mainly to the stochastic behaviour of the carbon fibre rupture process.     

复合材料层合板低速冲击损伤的有限元模拟

建立了用于预测复合材料层合板在低速冲击作用下损伤的3D有限元模型。采用应变描述的失效判据来判断铺层层内的各类损伤, 如纤维断裂、 纤维挤压、 基体开裂、 基体挤裂, 并结合相应的刚度折减方案对失效单元进行刚度折减。使用界面元模拟层间区域, 结合传统的应力失效判据和断裂力学中的能量释放率准则来定义分层损伤的起始和演化规律, 提出了一种界面元损伤起始强度沿厚度方向的分布函数。通过对数值仿真结果和实验结果的比较, 验证了模型的合理性和准确性。      

A meso-scale finite element model for simulating free-edge effect in carbon/epoxy textile composite

Textile composites are well known for their excellent through thickness properties and impact resistance. In this study, a representative unit cell model of a triaxial braided composite is developed based on the composite fiber volume ratio, specimen thickness and microscopic image analysis. A meso-scale finite element (FE) mesh is generated based on the detailed unit cell dimensions and fiber bundle geometry parameters. The fiber bundles are modeled as unidirectional fiber reinforced composites. A micromechanical finite element model was developed to predict the elastic and strength material properties of each unidirectional composite by imposing correct boundary conditions that can simulate the actual deformation within the braided composite. These details are then applied in the meso-mechanical finite element model for a 0°/+60°/−60° triaxially braided T700s/E862 carbon/epoxy composite. Model correlations are conducted by comparing numerical predicted and experimental measured axial tension and transverse tension response of a straight-sided, single-layer (one ply thick) coupon. By applying a periodic boundary condition in the loading direction, the meso model captures the local damage initiation and global failure behavior, as well as the periodic free-edge warping effect. The failure mechanisms are studied using the field damage initiation contours and local stress history. The influence of free-edge effect on the failure behaviors is investigated. The numerical study results reveal that this meso model is capable of predicting free-edge effect and allows identification of its impact on the composite response.     

A Unit‐Cell Approach of Finite Element Analysis for Transverse Impact Damage of 3‐D Biaxial Spacer Weft‐Knitted Composite

Abstract: This paper evaluates the transverse impact damage of a 3‐D biaxial spacer weft‐knitted composite using experimental results and complimentary finite element analysis. The load–displacement curves and damage morphologies during impact loading were obtained to analyse energy absorption and impact damage mechanisms of the knitted composite. A unit‐cell model based on the microstructure of the 3‐D knitted composite was established to calculate the deformation and damage evolution when the composite is impacted by a hemisphere‐ended steel rod. An elastoplastic constitutive equation is incorporated into the unit‐cell model and the critical damage area failure theory developed by Hahn and Tsai has been implemented as a user‐defined material law (VUMAT) for commercial available finite element code ABAQUS/Explicit. The load–displacement curves, impact damages and impact energy absorption obtained from ABAQUS/Explicit are compared with those FROM experiments. The good agreement of the comparisons supports the validity of the unit‐cell model and user‐defined subroutine VUMAT. The unit‐cell model can also be extended to evaluate the impact crashworthiness of engineering structures made out of the 3‐D knitted composites.