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.      

带脱层复合材料层板的低速冲击响应

研究了含脱层损伤的复合材料层板在低速冲击下的瞬态响应问题。首先,用基于Mindlin板理论的有限元法来描述层板的运动和变形,并同时考虑了层板大变形的影响。另外,用一种修正的Hertzian压痕法则来计算层板和刚球间的冲击力。同时为了有效地处理脱层间的动态接触问题,采用了由笔者以前提出的一种修正的Lagrange multiplier乘子法来提高计算精度和效率;为了研究脱层的扩展机理,提出了一种基于Mindlin板模型的应变能释放率的计算方法,用于计算脱层前沿的应变能释放率的分布。最后,算例研究了刚球的初始冲击速度、脱层面积和脱层位置对计算结果的影响,算例中提供的信息为人们更好地理解脱层损伤的扩展机理和它对复合材料层板的低速冲击响应的影响提供了依据。     

SIZE EFFECTS ON IMPACT RESPONSE OF COMPOSITE LAMINATES

Delamination was known to be one of the most important damage modes in composite laminates subjected to impact loading. In an effort to further understand the impact response of composite laminates, various degrees of impact ranging from subperforation to perforation were introduced to glass/epoxy laminates through an instrumented drop-weight impactor. In addition, composite laminates of various in-plane dimensions and thicknesses were examined for in-plane dimensional and thickness effects, respectively. Experimental results showed that in-plane dimensional effect was not as significant as thickness effect. The impacted composite laminates were then subjected to compression after impact (CAI) tests for characterizations of residual mechanical properties. Experimental results showed that perforation was the most important damage stage in composite laminates subjected to impact loading since impact characteristics (peak force, contact duration and absorbed energy) and mechanical properties degradation (residual compressive maximum force and residual compressive absorbed energy) of composite laminates became stable once perforation took place. However, it was also found that delamination played a very important role in the characterizations of mechanical properties degradation. Since the impact response of composite laminates is due to plate bending to some extent, bending analysis was used to explain the greater influence of thickness effect to in-plane dimensional effect. It was also found that bending analysis was feasible for interpretation of delamination in mechanical properties degradation.     

可收卷复合材料层板大变形弯曲性能研究

该文研究了玻璃纤维编织复合材料制成的可收卷层板在大变形条件下的弯曲静力性能和疲劳性能。通过弯曲静力试验得到了试验件在大变形条件下的应变和位移的关系;通过有限元模拟静力试验并与试验结果对照,确定了疲劳试验的载荷;研究了在大变形条件下不同铺层层板的弯曲疲劳寿命及失效模式和相同铺层层板的疲劳寿命曲线。结果表明:复合材料层板在大变形弯曲时具有明显的非线性行为,且(±45°)铺层层板弯曲疲劳性能明显优于(0°/90°)铺层层板;在最小应变和最大应变比不变的情况下,相同铺层层板的弯曲最大应变和对数疲劳寿命之间存在线性关系。     

复合材料低速冲击损伤研究及等效模型的应用

复合材料低速冲击损伤的特殊性及危害性使得对航空复合材料冲击损伤的评估尤为重要。该文通过建立数值计算模型并结合实验数据解决了4个方面的应用问题:1)在ABAQUS子程序VUMAT中引入损伤模式及损伤演化,结合层间连接单元对层合板低速冲击损伤进行了模拟;2)损伤容限设计方法要求对含缺陷结构的极限强度做出正确的评估,通过ABAQUS子程序USDFLD引入损伤模式及材料折减方案,得到了含圆孔的层合板极限拉压强度;3)通过ABAQUS子程序UMAT引入损伤模式及刚度折减方案,结合层间连接单元,模拟了含预制分层的层合板压缩失效问题;4)针对共用铺层结构的工程有限元计算问题,提出了力学等效模型,将该模型应用到结构级的静力实验模拟并拓展至结构冲击模拟。     

z-pin增韧复合材料层合板低速冲击损伤过程研究

从z-pin增韧复合材料层合板低速冲击实验出发,考虑了复合材料层合板在受低速冲击时的分层及基体开裂等四种损伤形式,引入适当的损伤判据,对T300/3234碳纤维树脂基复合材料层合板的低速冲击损伤过程进行有限元模拟。结果表明,采用碳纤维钉z-pin增韧使得冲击后层间分层区域面积减小50%左右,有限元结果与实验数据吻合。     

复合材料层合板的固化残余应力和变形分析

本文采用非线性有限元方法研究了复合材料层合板在固化后期降温过程的残余应力和变形问题。考虑了材料的热物理与力学性质随温度的变化以及变化率和应力间耦合的影响。给出了一些有意义的结果。     

正交铺设复合材料对称层合圆板的大挠度弯曲

本文探讨了纤维增强复合材料正交对称铺设层合圆板的大挠度弯曲问题.挠曲函数选用一项轴对称项和两项非轴对称项.应力函数由求解应变协调方程确定,用伽辽金法求解.计算表明:非轴对称主要通过薄膜力起作用,它仅对单层圆板的挠度分布有明显影响,对其挠度最大值影响不大;而对正交铺设层合圆板的影响则更小.由此可推论:对层合圆板(包括环形板)只需正交铺设各层纤维走向,其变形已趋轴对称,不必增加±45°铺设,从而简化了制作工艺过程.      

复合材料加筋板的大变形有限元分析

本文将考虑横向剪切变形的Mindlin's理论应用于复合材料加筋板的大变形分析,在Total-Lagrange坐标系下推导了八结点等参弯曲板单元和三结点等参梁单元的增量平衡方程和切线刚度矩阵,非线性问题采用增量法和Newton-Raphson迭代法相结合的方法求解.本文通过一些算例,证明了所采用单元具有良好的收敛性和足够的精度,并讨论了边界条件、纤维铺设角和加筋疏密等因素对复合材加料筋板非线性解的影响.     

用摄动—加权残数法分析复合材料层合薄板的大挠度问题

本文将摄动法与加权残数法联合应用于解复合材料层合薄板的大挠度问题,对摄动后得到的各线线性微分方程组,全部采用统一试函数形式的最小二乘配点法求解,方法简捷,程序通用。     

犬挠度层合板的拟协调罚单元

本文将考虑耦合和剪切效应的三角形拟协调罚单元推广到对层合板的大挠度分析。数值计算证明:该单元具有良好的收敛性和足够的精度.文中用大量图表显示了边界条件,纤维铺设角,铺层数和材料弹性模量出等因素对层合板大挠度解的影响。      

双模量复合材料层板的大挠度分析

本文用动力松弛法(DRM)分析了双模量复合材料层板的大挠度弯曲问题。文中介绍了求解该问题的主要公式和步骤;对轻度双模量材料及高度双模量材料的两层正交铺层矩形板在正弦载荷和均匀载荷作用下的挠度和内力进行了数值计算,并把其结果与小挠度结果及单模量结果做了比较,讨论了大挠度分析的必要性及模量性质对大挠度分析的影响。      

DEFORMATION OF THERMOPLASTIC COMPOSITE LAMINATES UNDER PROCESSING CONDITIONS

ABSTRACT

An analytic microstructural model based on the principle of virtual work is developed to describe the effect of interlaminar slip on the deformation of thermoplastic composite laminates subjected to processing conditions. The model assumes a non-linear viscous interlaminar interface. Each of the layers in the laminate is individually treated as a Kirchhoff plate. The model defines a new parameter called ‘global rotation’ of the laminate which accounts for interlaminar slip in the laminate. A relationship is obtained between the applied displacement history and the resultant load history. Cylindrical bending of a laminated plate with linearly viscous interfaces is solved numerically to illustrate the response of laminated plate under processing environment. An approximate but exclusive relationship is established between the load and the deformation rate for constant rate moulding.     

钢-混凝土组合梁界面滑移剪切变形的双重效应分析

组合梁界面滑移将减小组合梁刚度,增大变形,影响构件性能。同时组合梁往往重载,具有较小的跨高比,剪切变形不可忽略。根据最小势能原理和变分法,建立了同时考虑滑移效应和剪切变形双重作用的挠度滑移控制微分方程,分析了滑移引起挠度增大的原因,求得了集中荷载和均布荷载作用下的挠度和滑移的解析表达式。该方法物理意义明确,推导过程简单,计算结果与实测结果吻合良好。推导了不同荷载作用下的滑移效应附加弯矩,利用附加弯矩表达公式,可直接利用结构力学挠度计算公式计算滑移对挠度的影响。     

考虑剪切变形影响的斜桥振动频率与车-桥振动分析

利用修正的Timoshenko梁振动理论建立了等截面斜桥振动频率的超越方程和静力、动力分析有限元列式,用解析法和有限元法分析了斜度、支承方式对单跨斜桥结构前5阶振动频率的影响,对单跨斜桥车-桥振动进行了分析,考察了车速对动挠度、动弯矩的影响和不同截面振动的同相性及最大动挠度、最大动弯矩发生的部位,比较了不同车速条件下规范方法、车-桥振动方法计算的挠度、弯矩冲击系数的差别。算例结果表明:斜桥自振频率解析解与有限元解一致、斜度和支承方式对斜桥动力特性有重要影响、车辆的冲击效应与车速没有单调变化规律、挠度和弯矩的冲击系数不同。     

考虑结构响应及轴线形状的防浪堤抗波浪冲击数值模拟研究

采用多物质ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)方法对核电站防浪堤受波浪冲击过程中挡浪墙表面波压力和结构响应规律进行研究。建立与物理模型1∶1的三维直型防浪堤-波浪耦合模型,通过与波浪理论公式和物理模型试验结果对比,验证该文采用的数值造波和耦合冲击方法的可行性。在此基础上建立与实际模型1∶1的三维直、弧型防浪堤-波浪耦合模型,分析了防浪堤结构刚度、断面尺寸以及防浪堤轴线形状对波浪冲击过程中波压力和结构响应的影响。结果表明：防浪堤前、后表面最大波压力分别出现在静水面位置和后墙底部;前墙和堤顶宽度对后墙具有保护作用;结构响应增强前墙波压力,但对后墙波压力有减弱作用;防浪堤轴线方向突变处波压力与结构应力较大。     

复合材料夹层板的大挠度分析

本文构造一个复合材料夹层板矩形九节点单元,并应用于对称复合材料夹层板的大挠度分析,并讨论边界条件、夹心剪切模量以及而板和夹心厚度比对复合材料夹层极大挠度的影响,得到一些有意义的结论。     

考虑剪力墙剪切变形影响的框架-剪力墙结构分析

考虑剪力墙剪切变形影响、连梁固接连接条件,基于Timoshenko两广义位移梁理论,建立了框架-剪力墙结构分析方法。当连梁约束抗弯刚度为0时固接体系可退化成铰接体系、当剪力墙抗剪刚度趋于无穷大时弯剪型剪力墙可退化为不考虑剪切变形的弯曲型剪力墙,因此该文方法可适应多种模型的计算。导出了三角形分布荷载、均布荷载和顶部集中荷载作用下挠度、转角、剪力墙弯矩和剪力、框架剪力的计算公式。计算公式表明：“框架广义剪力按框架抗推刚度和连梁约束抗弯刚度比分配”的结论在考虑剪力墙剪切变形影响的框架-剪力墙固接体系中不成立。通过算例讨论了框架-剪力墙的变形和内力分布,得到了连梁约束抗弯刚度显著影响框架-剪力墙的变形和内力分布、框架-剪力墙对剪力墙的抗剪刚度有敏感范围等结论。     

考虑滑移效应组合梁弯曲应力和界面剪力分析

在实际工程中,通常采用换算截面法计算组合梁应力,而不考虑截面滑移的影响。但是当组合梁采用部分剪力连接或者需要考虑疲劳问题时,忽略滑移的影响可能会引起较大的误差。该文推导了考虑界面滑移效应的简支组合梁在多种荷载工况下的弯曲应力和界面剪力的解析解,并据此进行分析,得到了弯曲应力和界面剪力在各种荷载工况下的变化规律。根据实际情况,对最不利位置的解析解进行了简化。经对比,简化计算公式的计算结果与解析解吻合良好。     

大曲率圆弧深拱平面弹性稳定分析

大曲率拱中,截面形心轴与中性轴不重合,其截面抗弯惯性矩与不考虑曲率影响的截面面积二阶矩有一定的差别;当截面尺寸相对拱弧长来说较大时,此时拱为深拱,剪切变形的影响不能忽略。基于此认识,提出了考虑曲率、剪切变形影响的深拱平面弹性稳定分析方法,讨论了圆弧拱在径向均布荷载作用下的面内稳定问题,导出了临界荷载计算公式,比较了不同理论结果的差别,给出了弹性失稳与塑性屈曲的临界系数和临界圆心角,得出了一些重要结论。