复合材料单钉接头三维逐渐损伤破坏分析

针对纤维增强复合材料螺栓双盖板接头, 发展了面内静拉伸三维逐渐损伤模型。并对损伤累积过程中出现的四种基本损伤机理类型(纤维断裂、纤维-基体剪切、基体开裂、分层) 及其之间的相互关联性进行了分析模拟, 并能成功预测其接头层合板静拉伸强度、破坏模式及损伤与扩展的整个过程。同时用参数化设计方法, 对任意铺层、任意尺寸单钉接头进行建模, 使分析工作更加方便。用本模型计算的结果与文献[ 4 ]提供的9 种不同铺层尺寸接头实验结果进行了比较分析, 对比结果非常令人满意。      

T300/648复合材料迭层板接头挤压疲劳累积损伤问题的实验研究

本篇论文根据“剩余强度,剩余刚度”理论,讨论了碳纤维增强复合材料迭层板承载孔的挤压疲劳损伤,应用孔的永久变形描述损伤的产生和扩展,提出了“损伤函数”的定义和测定方法,并提出了新的“疲劳损伤点”的概念。实验还研究了温度对连接孔静挤压强度和疲劳寿命的影响。实验结果表明,温度的影响尤为重要。对损伤失效试件,采用“揭层方法”、“X射线”及“SEM方法”进行检测和损伤机理的研究。     

聚醚醚酮基复合材料的疲劳寿命表达式及累积疲劳损伤预测

通过对短碳纤维增强聚醚醚酮基复合材料的疲劳寿命试验数据的分析，给出了其疲劳寿命表达式，进而给出了适于两级不定载荷谱下累积疲劳损伤度及其概率分布区间的预测方法。     

[±20°]钢丝/橡胶复合材料的疲劳损伤累积

对[±20°]钢丝帘线增强的橡胶复合材料在拉伸循环载荷下的疲劳损伤累积进行了研究.结果表明:在载荷控制的疲劳过程中,材料的周期最大应变发展曲线呈现明显的三阶段规律.帘线端头处基体裂纹的出现是宏观疲劳损伤的初始,损伤的累积表现为裂纹数量增加、帘线/基体脱粘和层间裂纹的扩展.以动蠕变为参量建立了线性疲劳损伤累积模型,该模型能够较好地预报两级加载条件下材料的第二级疲劳寿命.     

[±20°]钢丝/橡胶复合材料的疲劳损伤累积

对 钢丝帘线增强的橡胶复合材料在拉伸循环载荷下的疲劳损伤累积进行了研究。结果表明:在载荷控制的疲劳过程中,材料的周期最大应变发展曲线呈现明显的三阶段规律。帘线端头处基体裂纹的出现是宏观疲劳损伤的初始,损伤的累积表现为裂纹数量增加、帘线/基体脱粘和层间裂纹的扩展。以动蠕变为参量建立了线性疲劳损伤累积模型,该模型能够较好地预报两级加载条件下材料的第二级疲劳寿命。     

3钉带衬套复合材料/金属接头拉伸疲劳性能

带衬套沉头螺栓连接已经在复合材料连接结构中得到了一定应用,需要对其疲劳性能进行研究.本工作在单搭接 3 钉带衬套碳纤维复合材料/钛合金沉头螺栓连接接头实验研究基础上,建立复合材料及金属结构的疲劳分析模型,对结构的疲劳性能进行有限元分析,并与无衬套接头模型进行对比,研究衬套对接头疲劳性能的影响.结果表明,使用衬套比仅采用螺杆过盈装配能够更加有效地提升接头的疲劳寿命,其中层合板寿命提高了约 3 .6 倍,钛合金板寿命提高了约 2 .7 倍,螺栓寿命提升了约 1 4 倍,并且仅出现钛合金板破坏,紧固件不破坏.结合实验结果分析发现,由于复合材料和金属材料自身疲劳性能的差异,其机械连接结构的疲劳破坏模式会因载荷水平的不同而发生变化;当载荷水平较低时,金属结构更容易发生破坏.     

橡胶复合材料疲劳破坏特性

分别对[00 ]和[ ±200 ]橡胶复合材料在拉伸循环载荷下的疲劳损伤进行了实验研究。两类材料的周期最大应变随循环周次的变化遵循三阶段规律, 三个阶段对应着疲劳损伤从萌生、稳定扩展到加速扩展直至整体破坏的过程。单层和双层材料的疲劳破坏分别为帘线控制和基体控制。实验表明, 用加载最大应力表征的疲劳寿命与循环周次的对数近似成线性关系。疲劳过程中材料的滞后损失基本保持不变。滞后损失和导热系数的差异是造成不同种类试件表面温升差异的主要原因。     

确定性疲劳累积损伤理论进展

著名的Miner-Palmgren线性累积损伤理论的提出已有70余年，但由于疲劳问题的复杂性，迄今为止还没有一个模型的工程应用价值能与该理论媲美。疲劳累积损伤理论仍在发展与完善中。文章根据疲劳损伤与疲劳累积损伤理论的特点，将确定性疲劳累积损伤理论分成两大类，即线性累积损伤理论和非线性累积损伤理论，并将主要的非线性累积损伤理论分成五类：a. 基于损伤曲线法的非线性累积损伤理论；b. 基于材料物理性能退化概念的非线性累积损伤理论；c. 基于连续损伤力学概念的非线性累积损伤理论；d. 考虑载荷间相互作用效应的非线性累积损伤理论；e. 基于能量法的非线性累积损伤理论。文章分析了每一类模型中有代表性模型的物理背景，回答了模型在疲劳累积损伤理论中存在的主要问题，简要评述了模型的优缺点，讨论了确定性疲劳累积损伤理论的几个关键问题。     

碳纤维增强树脂基复合材料预紧力单齿接头的静态及疲劳性能试验

通过试验研究了预紧力、齿长和载荷水平对碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）预紧力单齿接头（PTSTC）静态和疲劳性能的影响。试验结果表明:CFRP PTSTC的疲劳极限承载力可以达到静态极限承载力的80%~85%,与螺栓等传统连接方式相比,其疲劳性能具有一定优势;预紧力可以显著改善CFRP单齿接头的静态和疲劳性能;CFRP PTSTC的静态极限承载力随齿长增加而升高,但是在相同载荷水平下增加齿长不一定可以延长接头的疲劳寿命,尤其是在低载荷水平下齿长增加反而会缩短疲劳寿命;在加载初期,PTSTC的疲劳裂纹快速萌生,之后扩展缓慢,在接近破坏前的几次循环中又骤然增大,预紧力可以减缓疲劳损伤的累积速率;疲劳过程中PTSTC的刚度衰退不明显,在前95%疲劳寿命阶段仅下降1%~4%,预紧力也可以减缓刚度的衰退速率。所得研究成果可为复合材料接头抗疲劳设计提供参考依据。      

疲劳累积损伤对发动机缸盖再制造的影响

通过对新、旧发动机缸盖取样进行疲劳试验,对比了其SN曲线,结果发现：应力幅较大时,新、旧缸盖材料的疲劳寿命相差明显;应力幅较小时,新、旧缸盖材料的疲劳寿命相差不大,表明旧发动机缸盖材料的损伤程度随着应力幅的增加而增大。因此当发动机经过再制造后,有可能因为累积损伤的原因存在安全隐患。     

复合材料开孔层板压缩渐进损伤试验

为研究碳纤维增强树脂基复合材料开孔层板在压缩加载过程中的损伤起始、演化方式和损伤特点,采用微距拍摄、逐级加载超声C扫描、X光扫描和扫描电子显微镜观测4种观测手段对国产CCF300/5228A[45/0/-45/90]4s、[452/02/-452/902]2s、[454/04/-454/904]s3种铺层方式的开孔层板进行了压缩试验研究。对压缩载荷作用下开孔层板的损伤起始和损伤演化进行了观察和对比。对试验中观测到的纤维微屈曲、纤维挤出、孔边开裂和分层扩展等现象之间的关系进行了分析和说明。试验结果表明:压缩载荷下45°和90°铺层相邻位置为层板易分层位置,含45°和90°铺层相邻位置的开孔层板渐进损伤过程较为明显:开孔层板在压缩载荷下较早出现损伤,损伤的起始和演化缓解了孔边应力集中,促使压缩应变能在孔边逐步释放,推迟开孔层板压缩破坏的发生,提高层板压缩承载能力。研究结果可为材料结构损伤容限设计提供依据。     

三维复合材料层合板渐进损伤非线性分析模型

为有效反映复合材料层合板层间相互作用和材料损伤非线性,建立了中等尺度的三维复合材料层合板渐进损伤分析模型。非线性渐进损伤分析过程包括应力求解、材料损伤失效判据及材料性能退化方案3个方面。讨论了损伤材料性能退化方案,引入与材料损伤模式相对应的损伤变量表征材料点的损伤状态,材料的刚度矩阵按损伤变量退化。基于该模型可成功预测复合材料层合板损伤起始、扩展直至最终失效的整个过程和极限强度。经文献试验数据验证,12种不同铺层顺序层合板的计算强度与试验数据均吻合较好,表明该模型在复合材料层合板极限强度预测上的有效性。     

A three-dimensional progressive damage model for bolted joints in composite laminates subjected to tensile loading

A three-dimensional progressive damage model was developed to simulate the damage accumulation and predict the residual strength and final failure mode of bolted composite joints under in-plane tensile loading. The parametric study included stress analysis, failure analysis and material property degradation. Stress analysis of the three-dimensional geometry was performed numerically using the finite element code ANSYS with special attention given to the detailed modelling of the area around the bolt in order to account for all damage modes. Failure analysis and degradation of material properties were implemented using a set of stress-based Hashin-type failure criteria and a set of appropriate degradation rules, respectively. In order to validate the finite element model, a comparison of stress distributions with results from analytical models found in the literature was carried out and good agreement was obtained. A parametric study was performed to examine the effect of bolt position and friction upon damage accumulation and residual strength.     

单丝复合体系渐进损伤过程模拟及组分性能对损伤过程的影响

为研究单丝复合体系在单向加载过程中的应力传递及损伤演化规律,基于剪滞模型建立了渐进损伤过程的三维数值分析模型。单丝复合体系的渐进损伤过程曲线和临界状态下的纤维段数、应变载荷及纤维轴向应力分布均与文献试验结果非常吻合,表明本文所提出的单丝复合体系渐进损伤模型能够有效模拟单丝断裂过程中的损伤起始、损伤演化和断裂临界状态。研究了模型中组分材料的模量和强度对损伤过程的影响。结果表明：保持组分材料强度不变,增加纤维的模量能够加快损伤过程,基体模量和界面模量的增加对单丝复合体系渐进损伤过程影响不大;在组分材料模量及界面强度不变的情况下,随着纤维强度的增加,单丝复合体系渐进损伤过程的起始应变载荷和临界应变载荷均增加,临界状态下的纤维断点数减少。     

基于渐进损伤分析的复合材料螺栓连接强度包线法研究

针对中国民机采用T800级复合材料这一新材料体系而基础数据匮乏的现状,采用渐进损伤分析(PDA)替代试验以显著降低研究周期和成本。综合渐进损伤方法和工程算法各自的优点,提出以渐进损伤分析替代应力集中减缓因子(SCRFs)测定试验,进而建立强度包线,并进行多钉连接强度预测的数值策略。为验证该数值策略的可行性,针对典型铺层应力集中减缓因子,测定试样,并开展渐进损伤分析,获得了试验件强度预测值来计算应力集中减缓因子,采用旁路载荷修正的强度包线法,绘制了典型铺层复合材料多钉连接旁路载荷修正强度包线,预测多钉连接的失效载荷,并与试验结果进行对比。结果表明:采用该数值策略预测的强度包线、多钉连接的失效载荷和失效模式均与试验结果吻合良好,证明了该数值策略的可行性。     

Subcritical damage mechanisms of bolted joints in CFRP composite laminates

A detailed experimental programme is presented that was conducted in order to establish a data base for strength and subcritical damage mechanisms of bolted joints in CFRP composite laminates. Single fastener double-shear tensile tests for various joint geometries were performed for a range of cross-ply and quasi-isotropic lay-ups of HTS40/977-2 CFRP material system. Penetrant enhanced X-ray radiography was used to define the subcritical damage locations which are of great importance when modelling the failure response of the joints. It is suggested that the subcritical damage planes can be modelled using cohesive zone elements (CZEs) in order to develop physically based strength prediction methods for bolted joints in CFRP laminates.     

压缩载荷下复合材料整体加筋板渐进损伤非线性数值分析

建立了考虑脱粘的复合材料整体加筋板渐进损伤有限元分析模型。该模型采用界面单元模拟筋条与壁板之间的连接界面, 连接界面和复合材料层板分别采用Quads准则和Hashin准则作为失效判据, 基于ABAQUS软件, 建立了含连续损伤状态变量的材料刚度退化方案。基于该模型, 采用非线性有限元方法研究了压缩载荷下复合材料整体加筋壁板在考虑初始几何缺陷时的破坏过程, 分析了结构相应失效模式的细观损伤机制; 详细讨论了轴向刚度比对结构承载能力及破坏模式的影响。结果表明: 考虑脱粘损伤的有限元模型能有效模拟加筋板的破坏过程; 在加筋板铺层设计合理的情况下, 增加筋条与壁板刚度比能有效提高加筋板截面单位面积的承载能力。      

复合材料中厚板沉头连接结构强度与损伤失效

针对复合材料沉头螺栓连接结构的强度与损伤问题,开展了两种厚度复合材料层合板凸头与沉头螺栓连接结构挤压强度对比试验研究。试验结果表明,增加层合板厚度会引起连接结构挤压强度下降,但沉头连接结构下降比例小于凸头连接结构。通过数值模拟方法对复合材料中厚板沉头连接结构的强度及损伤失效进行分析。提出一种非线性面内连续损伤与三维混合失效模型,模型考虑了复合材料基体剪切非线性特征并改进了纤维损伤失效判据,有效解决了数值模拟中沉头复合材料连接结构难于收敛的问题。对比分析表明:沉头连接结构的数值计算结果与试验结果吻合良好,极限强度最大计算误差8.62%。     

Modelling of fatigue damage progression and life of CFRP laminates

A progressive fatigue damage model has been developed for predicting damage accumulation and life of carbon fibre‐reinforced plastics (CFRP) laminates with arbitrary geometry and stacking sequence subjected to constant amplitude cyclic loading. The model comprises the components of stress analysis, fatigue failure analysis and fatigue material property degradation. Stress analysis of the composite laminate was performed by creating a three‐dimensional finite element model in the ANSYS FE code. Fatigue failure analysis was performed by using a set of Hashin‐type failure criteria and the Ye‐delamination criterion. Two types of material property degradations on the basis of element stiffness and strength were applied: a sudden degradation because of sudden failure detected by the fatigue failure criteria and a gradual degradation because of the nature of cyclic loading, which is driven by the increased number of cycles. The gradual degradation of the composite material was modelled by using functions relating the residual stiffness and residual strength of the laminate to the number of cycles. All model components have been programmed in the ANSYS FE code in order to create a user‐friendly macro‐routine. The model has been applied in two different quasi‐isotropic CFRP laminates subjected to tension–compression (T–C) fatigue and the predictions of fatigue life and damage accumulation as a function of the number of cycles were compared with experimental data available in the literature. A very good agreement was obtained.     

考虑三维应力的复合材料层压板疲劳寿命分析

由于层间应力的存在,受面内载荷作用的复合材料层压板实际处于多轴应力状态。构建了由刚性元、弹簧元和二维板元构成的准三维有限元模型,结合单向板在典型应力状态下的疲劳试验结果和疲劳损伤模型,发展了一种考虑三维应力的、预测任意铺层多向层压板疲劳寿命的分析方法,包括应力分析、静力和疲劳累积损伤失效分析及材料性能退化3个主要部分,能够模拟面内和层间损伤产生、发展直至层压板整体破坏的完整过程,并得到疲劳寿命。对2种T300/QY8911多向铺层板进行了实际计算,寿命预测结果与试验结果吻合较好。