层合效应与疲劳寿命

通过对T300／QY8911碳纤维／双马复合材料三类多向层压板共5种铺层方式板条的试验研究和理论分析,揭示出不同铺设相邻单向层之间良好的粘合是确保多向层板具有高抗疲劳特性的基础,但自由边区域高的层间应力将引起分层发生与扩展,它将严重降低层板的疲劳寿命。当主要受力方向确定时,层间应力的大小与铺设顺序有密切关系,合理设计铺设顺序是降低层间应力十分有效的措施。     

Prediction of the biaxial failure strength of composite laminates with unit cell analytic model

A new method to predict the ultimate strength of fiber reinforced composites under arbitrary load condition is introduced. The micromechanics strength theory is used to perform the final failure prediction of composite laminates. The theory is based on unit cell analytic model which can provide the ply composite material properties by only using the constituent fiber and matrix properties and the laminate geometric parameters without knowing any experimental information of the laminates. To show that this method is suitable for predicting the strength of composite laminates, the micromechanics strength theory is ranked by comparing it with all the micro-level and the best two macro-level theories chosen from the World Wide Failure Exercise. The results show that this method can be used for predicting strength of any composite laminates and provide a direct reference for composite optimum design.     

纤维增强复合材料层合板刚度退化研究

复合材料在许多领域都有着非常广泛的应用.基于复合材料层合板损伤理论,对纤维增强复合材料层合板在疲劳载荷作用下的刚度退化过程进行了阐述,对层合板刚度退化不同阶段的损伤机理进行了系统的分析,在此基础上总结了损伤各阶段的分析模型.通过对损伤机理的分析,综合考虑纤维断裂和基体损伤的影响,提出层合板刚度退化二阶段统一的计算模型.     

树脂基复合材料固化过程中的温度和热应力场三维瞬态分析

建立了热固性树脂基复合材料固化过程温度和热应力场分析的数学模型,采用有限元方法,进行了三维非稳态数值求解。通过与已有实验结果的比较,验证了数学模型和计算方法的正确性。获得了3234/T300层合板固化过程中内部温度及热应力分布,分析了保温时间、升温速率、铺层设计等对温度、内部热应力的影响。数值计算结果表明:预固化时间越长,层合板内温度梯度越小,热应力峰值越低;升温速率越大,层合板内温度梯度越大,热应力峰值越大;采用对称铺层可降低层合板内部温度梯度和热应力。     

一种新的多轴低周疲劳损伤参量

利用轴向和周向应变幅的最大值合成一个新的等效应变幅作为多轴疲劳损伤参量,考虑不同加载路径导致轴向和周向出现的平均应力的影响,结合Manson-Coffin方程提出了一个新的损伤模型．该模型经高温GH4169合金、45~#钢、Inconel 718钢和高温304不锈钢4种材料的多轴疲劳试验验证表明,寿命误差基本分散在2个因子之内．     

缺口件局部应力-应变关系影响因素的研究

为了分析缺口件局部应力-应变关系的影响因素,利用有限元方法对多轴循环载荷下的中心圆孔缺口试件进行了弹塑性有限元分析,讨论了应力幅、平均应力以及多轴性对缺口部位局部应力-应变关系的影响.结果表明:正应力幅和多轴载荷影响迟滞回线的形状,表征着材料的损伤,是疲劳分析中的重要因素;平均应力不影响迟滞回线的面积,对损伤没有影响,它主要影响迟滞回线中心的位置,在疲劳分析中须引入平均应力修正.     

复合材料板弹簧用预浸料的固化工艺

为了使复合材料板弹簧的力学性能达到最优,采用动态差示扫描量热法研究了复合材料板弹簧用预浸料的固化动力学特性,确定了复合材料层压板的最佳固化工艺.同时研究了在最佳固化工艺条件下制备的复合材料层压板的力学性能.结果表明:温度越高板弹簧用预浸料的固化速度越快,预浸料的最佳固化工艺为90℃/1h+125℃/1h.在最佳固化工艺下复合材料层压板的固化度可达到96.7%,且复合材料层压板的基本力学性能与优质合金钢相当,说明该预浸料可以满足板弹簧产品的性能要求.     

Mechanical behaviors of notched composite laminates

0　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＦｏｒｔｈｅｉｒａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｓｔｒｅｎｇｔｈ ｔｏ ｗｅｉｇｈｔａｎｄｓｔｉｆｆ ｎｅｓｓ ｔｏ ｗｅｉｇｈｔ,ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓｈａｖｅｂｅｅｎｕｓｅｄｗｉｄｅｌｙｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｓｏｆａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌａｎｄａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ .Ｆｌａｔｃｏｕｐｏｎｓｐｅｃｉｍｅｎｓａｒｅｏｆｔｅｎｕｓｅｄｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｈｅｍｅ ｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌａｍｉｎａｔｅｓ .Ｂｅｃａ…     

层间加胶膜层压板的层间应力与孔边应力分析

采用建立在边界层理论基础上的复合材料层压板孔边层间应力分析方法，计算了层间加胶膜层压板的孔边应力，还采用三维有限元方法分析层间加胶膜层压板的层间应力边缘效应，结果表明，层间胶膜的加入以使 层压板边缘和孔边的层间应力明显下降。     

压电致动式圆片驱动装置结构分析与设计

根据压电致动的工作原理,建立了圆片微驱动装置的压电复合层薄板的机电耦合力学模型;应用弹性薄板的小挠度弯曲理论,推导出圆形压电复合层薄板的弹性曲面微分方程,提出由逆压电效应引起的平面应变可以等效为作用在压电复合层薄板上的横向荷载的设计方法;指出等效横向荷载取决于平行板电容器的边缘电场分布.推导了压电复合层薄板中性面的表达式.在求电场的超越方程数值解的基础上,建立了微驱动装置的有限元结构模型,并对某微泵驱动装置进行了计算仿真,得到令人满意的结果.     

Research on Fixture’s Effect on Properties of Single-Shear Bolt Jointed Composite Laminates Structure

夹具对单剪连接层合板结构性能影响的研究

刘长喜^1,2,周振功¹,王晓宏²,张博明³

（1.哈尔滨工业大学复合材料研究所;2.黑龙江工程学院机电工程学院;3. 北京航空航天大学材料科学与工程学院）

创新点说明：

（1）从测试夹具的角度出发,利用试验与数值分析相结合的方法,分析测试夹具对单剪连接层合板结构性能的影响;

（2）基于通用有限元软件ABAQUS及其用户自定义子程序USDFLD,结合改进的通用单胞模型（GMC）,建立考虑细观组分材料（纤维、基体、界面相）性能的单剪连接层合板结构宏-细观多尺度数值分析模型。

研究目的：

此文是为了研究测试夹具对单剪连接层合板结构性能的影响

研究方法：

（1）根据ASTM D5961-B 测试标准进行复合材料层合板试件的设计;

（2）利用热压罐成型技术进行复合材料层合板试件的制作;

（3）根据ASTM D5961-B测试标准进行单剪连接层合板结构性能测试,并分析测试夹具对测试结果的影响;

（4）基于ABAQUS软件及其用户自定义子程序（USDFLD）,结合改进的通用单胞模型（GMC）,建立考虑复合材料组分材料（纤维、基体及界面相）性能的单剪连接层合板结构宏-细观相结合的数值分析模型;

（5）利用试验测试结果验证模型的准确性,在此基础上利用所建立的数值分析模型进一步分析测试夹具对单剪连接层合板结构性能的影响。

结果：

（1）试验测试结果表明：

a）单剪连接层合板结构承载能力的应力-应变曲线的重复性较好;

b）不同于双剪连接层合板结构,单剪连接层合板结构的应力-应变测试曲线的初始阶段未出现明显的峰值;

c）单剪连接层合板结构的承载能力参数（初始挤压强度、偏移挤压强 度和极限挤压强度）均低于双剪连接层合板结构的相应的承载能力参数。

（2）数值分析结果表明：

a）数值分析结果与试验测试结果吻合较好;

b）试件与测试夹具侧面的不完全接触将导致测试结果偏低;

c）测试过程中,载荷的非对中性将导致测试结果偏低;

d）测试夹具的刚度偏低将导致测试结果偏低。

结论：

（1）单剪连接层合板结构的挤压性能低于双剪连接层合板结构的挤压性能,且单剪连接层合板结构挤压性能的试验测试结果偏差较大;

（2）单剪连接层合板结构挤压性能测试过程中,应注意夹具与试件之间的完全夹紧、避免加载过程中载荷的不对中性,提高测试夹具的刚度,以保证测试结果更加接近结构的实际性能。

关键词：宏-细观多尺度数值分析;单剪层合板结构;测试夹具;ABAQUS;GMC模型;用户子程序

     

复合材料层板疲劳损伤寿命的预测

根据复合材料层板疲劳损伤机理，首先建立数学模型，然后运用宏观断裂力学的方法分析、推导出了在基体损伤破坏下正交层板的疲劳损伤寿命的预测公式，最后通过算例进行了验证。     

CFRP加固钢梁的有限元分析

工程结构中的受弯钢梁由于腐蚀或疲劳损伤需要进行加固和修复.与传统的钢结构加固方法相比,粘贴CFRP加固钢结构具有很大的优势和应用前景,如不会导致严重的应力集中、不会产生残余应力、施工方便、维护费用低等.但是目前仅对CFRP加固钢梁和组合梁进行了部分试验研究,缺乏相关的有限元分析.对CFRP加固钢梁和组合梁有限元分析的几个关键问题进行了论述,并采用笔者提出的“三维实体-弹簧-壳元”有限元模型对钢梁和组合梁粘贴CFRP加固前、后的性能进行了分析.分析结果表明,损伤钢梁和组合梁粘贴CFRP布和CFRP板加固后其性能恢复非常显著,而且粘贴CFRP板的加固效果更加明显.     

Determination of fatigue cracking direction in composite laminates

The interface plays the central role in the failure analysis of composite laminates, therefore, the interface material properties are taken as the independent parameters. A simple, universal and practicable criterion, i.e. a ratio criterion of strain energy release rate, is proposed to determine the growing direction of a fatigue crack in the composite laminates. The method of arbitrary lines, which is very effective to solve the problems with high gradient feature, is used to analyze the experimental results at the key moments when a crack kinks, turns into the interface, or bifurcates. An approximate method of computing the energy release rate is given. The fatigue fracture tests of composite laminates are carried out, and the numerical predictions of crack growing directions agree well with the experimental results. It is concluded that the methods suggested in this paper are effective to obtain the cracking history and the growing path of a fatigue crack in composite laminates.     

纤维排列方向对含圆孔的各向异性板应力场影响的仿真分析

针对含圆孔的复合材料板,在外界荷载作用下通常会引起孔周围区域的应力集中的问题。根据复变函数理论建立了计算模型。采用仿射变换的方法得到了准确描述应力场的复变应力函数。按照所建立的数学模型对含有圆形孔的复合材料板进行了应力分析。探讨了不同的纤维排列方向对孔边应力集中系数的影响。仿真分析了两个主方向的杨氏模量的变化对孔边应力的影响。     

温湿场交变环境下外加载荷对不同孔隙率CFRP弯曲力学性能影响

为探究不同孔隙率碳纤维/环氧树脂层合板在仿超音速飞行的高低温湿热老化环境及外加载荷作用对弯曲力学性能的影响规律,基于材料服役期间的吸湿状态和内应力状态,对T700CF/3234EP进行模拟超音速飞机服役环境的高低温交变加速湿热循环试验.通过控制模压压力,制备3种孔隙率分别为0.04、0.08和0.11的层合板,将3种孔隙率的层合板进行加载,加载载荷为层合板最大弯曲载荷的0、30%、40%和60%,然后将其置于高低温环境模拟试验箱中,分别测量不同循环周期复合材料层合板的弯曲强度变化,并采用ABAQUS软件对其弯曲力学性能进行有限元模拟.试验结果表明:温湿场交变环境下,外加载荷和孔隙率加速层合板弯曲强度的下降,在高低温湿热循环4~6周期时,随着载荷的增大,二次固化现象越明显,层合板的弯曲强度变化比较平缓.使用ABAQUS软件建立有限元模型,计算得到的弯曲力学强度变化趋势与试验结果相一致,说明高低温湿热老化环境和外加载荷对复合材料弯曲性能的影响,对不同孔隙率的碳纤维/环氧树脂层合板弯曲性能进行较为准确的预测.     

预应力片材加固负载RC梁受弯承载力分析

分析有初始弯矩作用时,预张纤维片材粘贴加固混凝土梁中加固材料相对该处混凝土滞后应变或超前应变的计算方法和纤维片材中有效预应力的取值;对预应力FRP粘贴加固梁构成的复合截面,分析各种可能应变组合下的受弯极限状态,给出两大弯曲破坏类型(分别由片材拉断和混凝土压碎引发)的界限判别条件和极限承载力计算表达式.试验分析表明,极限承载力试验值与计算值比值的均值为0.99,变异系数为0.047.     

纤维体积含量对含孔对称复合层板孔边应力集中的影响

纤维体积含量是决定纤维增强复合材料各项力学性能的一个重要参数。针对含孔对称层板在面内载荷作用下应力集中的问题,文章以含圆孔、椭圆孔和正方形孔的无限大复合材料对称层合板受无穷远处面内双向拉伸载荷为例,对纤维体积含量发生改变时,孔边应力集中的变化情况进行了研究,得到了纤维含量对孔边应力集中的影响规律。     

复合材料层板疲劳过程中温升规律研究及寿命预测

研究了复合材料层板在拉拉疲劳载荷作用下的温升规律，讨论了利用温升作为损伤参量来表征复合材料疲劳损伤规律的可行性，结果表明，用温度变化来反映材料的损伤，可以得到与用刚度降、剩余强度表示损伤一致的结论．     

复合材料圆孔应力的正交各向异性光弹性分析

本文根据 Sampson 提出的应力—光学定律,对正交各向异性复合材料带有圆孔的有限宽板进行了分析研究,得到了复合材料带有圆孔板孔边的应力分布状态.本文的实验结果与正交各向异性受拉带孔无限和有限宽板的两种关于圆孔孔边应力分布状态的理论解符合较好.