织物增强复合材料层合板Ⅰ型层间断裂特性

采用双悬臂梁(DCB)试验测试和研究了织物增强复合材料层合板的层间断裂韧性与断裂行为。为了评价测试温度和试样几何尺寸的变化对层间断裂韧性的影响，分别在室温(RT)和液氮温度(77K)条件下对不同尺寸的试样进行了双悬臂梁试验。采用扫描电镜对分层断裂面进行了观察，分析和验证了层间断裂特性。     

织物增强复合材料层合板I型层间断裂特性

采用双悬臂梁(DCB)试验测试和研究了织物增强复合材料层合板的层间断裂韧性与断裂行为。为了评价测试温度和试样几何尺寸的变化对层间断裂韧性的影响,分别在室温(RT)和液氮温度(77K)条件下对不同尺寸的试样进行了双悬臂梁试验。采用扫描电镜对分层断裂面进行了观察,分析和验证了层间断裂特性。      

层合板壳的概率有限元分析

为研究复合材料壳体的某些随机性, 本文考虑了复合材料壳体的层角、层厚和材料常数的随机性。针对这一具体情况, 对应力-应变阵、刚阵和位移矢量等进行了台劳展开, 取其二次近似式, 应用二次摄动法, 求出响应的确定解、一次感度和二次感度, 然后由统计理论及可靠性理论, 求出响应的期望、方差、变异系数和可靠度等。以实现复合材料壳体的概率有限元分析。      

基于NASTRAN的复合材料层合板层间应力分析

基于MSC.PATRAN/NASTRAN软件,采用一种准三维混合有限元模型,计算了复合材料层合板的层间应力,得到了层间应力对层合板面内应力分布的影响规律,为合理设计层合板,优化层间剪切强度,扩大层合板的应用范围,提供了分析手段和理论依据;这种准三维混合模型的有限元计算方法,提高了复合材料层合板的分析效率和分析精度,也为其他复合材料结构分析提供了新的分析思路和途径.     

基于高阶剪切变形理论的复合材料层合板精化单元法

基于高阶剪切变形层合板理论(该理论满足层间位移、应力连续条件)建立了一种精化方法,由此建立了三角形精化板单元.该单元满足单元间C1类弱连续条件,其收敛性得到保证,且具有列式简单、计算效率和精度高的优点.      

层合板壳稳定问题的样条函数解法

本文用样条最小二乘法求解任意铺层复合材料曲板壳的稳定问题，并对结果进行了分析。     

基于纤维束增强树脂基复合材料测试的单向层合板层间剪切性能的预估方法

纤维束增强树脂基复合材料（FBC）及其单向层合板在标准Iosipescu剪切实验中表现出非常相似的破坏特征,然而测量得到的剪切强度却有明显差异。本文使用两种碳纤维和两种环氧树脂制备了3种FBC和单向层合板,对FBC剪切强度和单向层合板层间剪切强度进行了测量与分析。应用界面单元方法分析了纤维束与基体之间的界面应力场,发现FBC剪切试件中纤维束/基体界面附近的应力状态为拉剪耦合,而单向层合板中界面处于纯剪切应力状态,这一差异导致FBC剪切实验测量的强度低于单向层合板的剪切强度。本文基于Yamada-Sun强度理论建立了FBC剪切强度与单向层合板剪切强度之间的关系模型,应用该模型预测的单向层合板剪切强度与实测强度之间达到良好的一致性,相对偏差为10%左右。根据本文提出的方法,通过制样较简单的FBC试验能够预测和评估相应单向层合板的层间剪切性能。     

开孔碳纤维层合板层间应力分析

针对具有典型铺设角 的开孔碳纤维层合板, 采用三维有限元数值模拟方法, 分析了在单向拉伸载荷作用下孔边附近的层间应力, 讨论了界面层参数对层间应力的影响, 详细给出了典型铺设角之间层间应力的分布规律和最大层间应力产生的位置。结果表明: 对于相同铺设角的界面层, 沿厚度方向的位置影响层间应力的大小, 但不影响分布趋势; 而铺层顺序(如 或 )对层间应力的大小和分布趋势影响则较小。最大层间正应力产生于 的界面层, 位于与拉伸方向成90°的位置, 是外加拉伸应力的51%; 最大层间剪应力产生于 的界面层, 最大层间环向剪应力位于与拉伸方向成74°的位置, 是外加拉伸应力的64%; 而最大层间径向剪应力位于与拉伸方向成66°的位置, 是外加拉伸应力的25%。      

压电层合板层间应力新研究

综述了压电层合板数值分析方面的一些进展，在一般层合板理论的基础上提出一个多层压电层合板单元，依据线性压电理论建立压电层合板单元的杂交元模型，利用三维8节点块状单元建立多层压电层合板的有限元列式，解决了压电层合板层间应力的连续性。     

Bounds for element size in a variable stiffness cohesive finite element model

The cohesive finite element method (CFEM) allows explicit modelling of fracture processes. One form of CFEM models integrates cohesive surfaces along all finite element boundaries, facilitating the explicit resolution of arbitrary fracture paths and fracture patterns. This framework also permits explicit account of arbitrary microstructures with multiple length scales, allowing the effects of material heterogeneity, phase morphology, phase size and phase distribution to be quantified. However, use of this form of CFEM with cohesive traction–separation laws with finite initial stiffness imposes two competing requirements on the finite element size. On one hand, an upper bound is needed to ensure that fields within crack‐tip cohesive zones are accurately described. On the other hand, a lower bound is also required to ensure that the discrete model closely approximates the physical problem at hand. Both issues are analysed in this paper within the context of fracture in multi‐phase composite microstructures and a variable stiffness bilinear cohesive model. The resulting criterion for solution convergence is given for meshes with uniform, cross‐triangle elements. A series of calculations is carried out to illustrate the issues discussed and to verify the criterion given. These simulations concern dynamic crack growth in an Al₂O₃ ceramic and in an Al₂O₃/TiB₂ ceramic composite whose phases are modelled as being hyperelastic in constitutive behaviour. Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Ltd.     

复合材料疲劳分层的界面单元模型

提出一种三维黏聚力界面损伤模型,可以描述单调和交变载荷下层合复合材料混合型的分层损伤。损伤用界面所经历过的最大位移间断来定义,交变荷载下一个周期的加、卸载过程均考虑有损伤积累,模型还考虑了单调和疲劳损伤的门槛效应和交变载荷下裂纹的闭合效应。建立了包含该界面损伤模型的初始无厚度八节点等参界面单元,并引入加速损伤的算法,用一次计算循环代替若干次实际循环,提高计算效率。用该单元模型对某复合材料动部件疲劳分层裂纹的形成和扩展进行了模拟,得到了分层裂纹前沿界面局部损伤和结构疲劳分层的发展规律,模型预测的裂纹长度-荷载循环次数对数(a-log N)曲线和结构剩余刚度与试验数据吻合。     

颗粒增强复合材料非理想界面刚度和有效模量的理论估计

采用内聚力模型(CZM)描述颗粒增强复合材料(PRCs)颗粒/基体非理想界面的力学行为,采用细观力学的Mori-Tanaka(M-T)方法和稀释解方法研究非理想界面刚度对该复合材料有效模量的影响。结果表明:复合材料某一体积含量下的有效模量和其颗粒/基体非理想界面刚度之间存在单调递增的关系曲线。同一复合材料不同体积含量的有效模量和非理想界面刚度关系曲线存在一个临界交点(CP),该点对应的临界界面刚度控制着颗粒体积分数对有效模量的影响。研究了基体和增强相的力学性能以及增强颗粒的尺寸对CP点临界界面刚度的影响。采用有效模量-界面刚度关系曲线,结合实验测得的有效模量,提出了估算PRCs的非理想界面刚度的方法,进而估计了复合材料的宏观有效模量。      

Evaluation of the interfacial strength of carbon-fiber-reinforced temperature-resistant polymer composites by the micro-droplet test

This paper presents an evaluation method for the fiber/matrix interfacial strength. The interfacial strength is determined by comparing experimental data with numerical simulations. The micro-droplet test is conducted, and the fiber axial stress at the point of interface debonding is obtained. A numerical simulation is performed with ABAQUS using an axisymmetric finite-element model. In the numerical simulation, an accurate value of the thermal residual stress based on the thermo-viscoelasticity and the damage to the resin around the blade-contacting point is considered to simulate the experimental phenomena ideally. In the thermal residual stress analysis, the actual thermal residual stress is calculated by considering the relaxation modulus and the time–temperature superposition principle for the resin. Damage initiation criteria for both dilatational and shear cases, based on continuum damage mechanics, are considered for the resin. Interfacial debonding is simulated using a cohesive zone model, and the interfacial strength is taken as the strength of the cohesive zone element at the simulated fiber maximum stress corresponding to the experimental value.     

A hierarchic 3D finite element for laminated composites

In this paper a new 3D multilayer element is presented for analysis of thick‐walled laminated composites. This element uses two steps to calculate the full stress tensor. In the first step the in‐plane stresses are computed from the material law using a displacement approximation, and then the transverse stresses are calculated from the 3D equilibrium equations. Since the 3D equilibrium equations require high‐order interpolation functions, a hierarchic interpolation of displacements is used. The new element is compared with existing ones, e.g. from MSC.MARC. Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Ltd.     

陶瓷基复合材料界面结合强影响断裂过程的有限元研究

提出了纤维增强复合材料断裂有限元模型,该模型既用弹簧单元考虑了基体与纤维之间的分离,又用接触单元考虑了基体与纤维之间的摩擦,较真实地模拟了纤维增强复合材料的断裂过程。通过有限元计算,预测了基体与纤维之间的界面结合强度对整个复合材料断裂模式的影响。还对强弱两种不同基体弹性模量的材料进行进一步的探讨。对比其他文献 , 本文中预测结果与真实情况较为吻合。结果表明,对于纤维增强复合材料,不论是强基体还是弱基体,适中的界面结合强度有助于提高其韧性及整体抗拉强度。       

正交铺层PIP-SiC_(f)/SiC复合材料的水淬失效行为EI北大核心CSCD

铺层方式是影响预浸料铺贴工艺制备SiC_(f)/SiC复合材料抗热震性能的关键因素之一。以先驱体浸渍裂解(PIP)工艺制备的SiC_(f)/SiC复合材料为研究对象,基于内聚力模型,对不同正交铺层方式的方形试样开展1200℃高温水淬实验及有限元仿真研究。结果表明:水淬过程中试样表面温度急剧下降,芯部与表面存在较大温差,顶角与芯部温差最高可达1077℃,导致复合材料的主要失效模式为层间开裂和基体开裂,且试样层间开裂位置与铺层方式有关。由模拟结果可知,由于正交铺层方式的不同,试样的层间开裂位移也存在显著差异:[0/90]与[0/90/0]两种铺层方式层间主裂纹开裂位移约为0.61 mm,而[0/0/90/90]铺层主开裂位移仅为0.04 mm。此外,随着水淬时间的增加,层间主裂纹开裂位移逐渐增大,而次裂纹在开裂后逐渐发生闭合现象。     

基于组合单元的层压复合材料三维应力分析

为了分析层压复合材料层间特性,推导了将刚性元-弹簧元相结合的离散型界面单元的刚度矩阵。建立了层压板的准三维模型,即将Mindlin板单元应用于层压板的各子层,层间作用则利用上述界面单元来模拟。通过弯曲板元计算子层面内应力,通过界面单元的弹簧力确定层间应力。对受面内拉伸的多向层压板条进行了应力分析,与使用商业软件三维实体模型计算得到的层间和面内应力对比,结果表明准三维模型的计算结果合理。这种新型界面单元的优点是可用来表征层间损伤,并且能通过对弹簧刚度的消减来模拟分层损伤的演变。