丝束变角度层合板屈曲性能的参数化研究

通过选择合适的纤维轨迹,丝束变角度(VAT)层合板相对于直纤维层合板能拥有更好的抗屈曲特性。为研究纤维轨迹特征长度和定向坐标系偏角对VAT层合板屈曲性能的影响,首先对原始的纤维角度线性变化方法进行改进,提出了一种纤维角度分段线性变化方法,拓展了纤维轨迹的设计空间;其次,采用改进后的纤维轨迹定义方法构建了一系列变刚度层合板;最后,基于有限元方法,从内力分布角度对变刚度层合板不同承载情况下的屈曲性能进行研究和探讨。数值结果表明:单向轴压工况下,采用半边长的特征长度和90°偏角的纤维轨迹,能使层合板的稳定性最好;双向轴压工况下,应将特征长度和定向坐标系偏角作为额外的设计变量,并通过优化获得最优的纤维轨迹。     

环氧基－玻璃纤维层合板大挠度弯曲特性的实验研究

用影栅云纹法研究了两种铺设方式的环氧基一玻璃纤维复合材料层合板大挠度弯曲的基本特性。包括梁、矩形板和三角形板三种类型、七种具体型式的试件。载荷均为垂直于试件表面的集中力，作用方式分对称和不对称两种。最大挠度δ在２．５至１０倍板厚ｈ之间。实验揭示了这两种复合材料层合板在大挠度弯曲时的基本特性和规律，为建立相应的理论和计算方法提供了基础。     

环氧基-玻璃纤维层合板大挠度弯曲特性的实验研究

用影栅云纹法研究了两种铺设方式的环氧基一玻璃纤维复合材料层合板大挠度弯曲的基本特性。包括梁、矩形板和三角形板三种类型、七种具体型式的试件。载荷均为垂直于试件表面的集中力,作用方式分对称和不对称两种。最大挠度δ在2.5至10倍板厚h之间。实验揭示了这两种复合材料层合板在大挠度弯曲时的基本特性和规律,为建立相应的理论和计算方法提供了基础。     

Bezier曲线变角度层合板设计及屈曲特性分析

基于二次Bezier曲线法,开展纤维变角度层合板的屈曲特性研究。首先,对原始的二次Bezier曲线进行了扩展,提出了分段式二次Bezier曲线变化方法,重新定义了纤维变角度铺放参考路径,确定了变角度层合板的表示形式。其次,以[0±20(β)65]_(2s)和[90±20(β)65]_(2s)为例对变角度层合板的屈曲特性进行了有限元分析,并与定角度层合板对比。最后,研究了不同终止角α和连接点参数β对层合板屈曲性能的影响,结果表明:连接点参数β的增大使得两种变刚度层合板的线性屈曲载荷先增大后减小,终止角大于起始角时,层合板的一阶屈曲载荷逐渐增大,铺放角度的增大有利于层合板屈曲载荷的提高。     

丝束变角度层合板屈曲性能的有限元分析

连续丝束剪切（CTS）作为一种新的丝束变角度（VAT）铺放技术,能克服传统的自动铺丝技术（AFP）的诸多缺陷。鉴于此,分别采用CTS和AFP这2种技术铺设而成的VAF层合板为研究对象,对其屈曲性能进行了有限元分析;在施加相同端部轴向位移的条件下,以铺层顺序[90±<0|75>]_4s为例,对比分析了2种层合板的内力分布;最后,讨论了丝束最小转弯半径对2种铺放技术的影响。结果表明：CTS层合板因其变厚度的特性,其屈曲性能优于AFP层合板;与AFP技术受制于最小转弯半径,导致其在小尺寸结构中的应用受到限制相比,CTS技术适用于各种尺寸的层合板。     

纤维增强复合材料层合板分层破坏的研究

本文对纤维增强复合材料层合板的分层破坏进行了大量的试验,同时用三维有限元进行应力分析。试验和分析结果表明此类层合板的分层总是发生在θ/90界面上,该界面上不仅层间剪应力大而且层间正应力也大。通过对不同θ/90界面的临界能量释放率的测定表明,对层合板不同的θ/90分层界面的G_ⅠC和G_ⅡC是随θ角的变化而变化。文中对一个Ⅰ型,Ⅱ型耦合型能量释放率分层判据的应用作了改进,试验结果表明此改进是有效的。     

单向EMC层合板非线性弯曲行为

对单向形状记忆聚合物复合材料(EMC)层合板在其基体玻璃化转变温度(T_g)之上的弯曲行为进行了研究。首先介绍了EMC层合板多约束弯曲变形实验, 并依据纤维微屈曲变形特征建立其形函数; 然后分析得出弯曲层合板的各分应变能及由其组成的总应变能; 在此基础上, 依据虚功原理, 通过总应变能推导出外力偶矩与曲率、 等效弯曲应变之间的非线性关系式。结果表明: 在EMC板的弯曲过程中, 中性层很快接近板的拉伸表面, 且中性层位置及板的弯曲行为对板的面内剪切模量非常敏感; 在板的初始弯曲阶段, 弯矩与曲率遵循传统单向板的线弹性弯曲理论; 而后随着曲率的增加, 弯矩与曲率关系遵循本研究所提出的非线性关系, 所得理论结果与EMC层合板的四点纯弯曲实验现象较为吻合。      

纤维角度对变角度层合板减振性能的影响

自动铺丝技术可以实现复杂曲率曲线铺放,可极大提高角度设计的自由度。本文以改善复合材料层合板动态特性为目的,对变角度层合板的减振性能进行了研究分析。首先对不同角度变化变角度层合板进行自由衰减试验,研究了纤维角度变化与变角度层合板阻尼比的关系。然后对含相应角度变角度夹层板进行随机试验,研究了层合板随机激励条件下的振动响应,并采用共振峰处传递函数(Transition function,TF)和拾振点加速度总均方根(Root mean square,RMS)两种指标评价减振效果。结果表明:层合板阻尼比在纤维变化角度为±<45|60>时最大,纤维变化角度为±<73|88>时最小。基于RMS减振评价指标,±<45|60>夹层板较传统直线板减振性能提高27.13%;基于共振峰TF减振评价指标,纤维角度变化对不同共振峰减振效果规律差异明显。研究表明,变角度层合板减振性能明显优于传统直线层合板,相关实验结果将对变角度层合板减振设计及优化提供一定的参考意义。      

考虑纤维面外起伏的变刚度层合板优化策略研究

针对变刚度层合板在自动铺放制造过程中因间隙/重叠缺陷产生大量纤维面外起伏缺陷的问题,提出采用铺层偏移法与断送纱策略两种铺层优化策略来进行变刚度层合板的铺层设计,在研究过程中同时引入考虑间隙/重叠缺陷建模的方法。根据变刚度层合板铺层的特点提出缺陷重复单元的概念,通过对缺陷重复单元的分析来反映纤维面外起伏的影响,并提出通过纤维面外系数来表征变刚度层合板的纤维面外起伏尺度,最后对不同优化策略的变刚度层合板的屈曲性能进行分析。研究表明:基准设计方案、铺层偏移法与断送纱策略所对应的纤维面外起伏系数为0.83、0.95、0.93,所提出的优化策略对变刚度层合板的纤维面外起伏尺度有着明显的抑制作用。铺层偏移法优化后的[±<50/65>]_6s变刚度层合板最大厚度超差为33%,所对应的屈曲载荷为9117.1 N,屈曲载荷提升17.6%;断送纱策略优化后的[±<50/65>]_6s变刚度层合板最大厚度超差为50%,所对应的屈曲载荷为9716.3N,屈曲载荷提升25.3%。      

考虑横向剪切变形的反对称角铺设层合板的弯曲

本文对考虑横向剪切变形的反对称角铺设复合材料层合板弯曲问题进行了理论分析,得到了简化分层理论的封闭形式解。在由位能变分原理得到一般方程的基础上引入合理假设,得到了适合本问题的求解方程。在用简化的分层理论对典型算例进行数值计算的同时,也用经典层合板理论和一阶剪切变形理论进行了计算,一并与相关文献的三维精确解加以比较,结果表明,简化分层理论可以有效地应用于反对称角铺设层合板的弯曲问题。      

复合材料斜交层板柱状弯曲的翘曲修正模型

研究复合材料斜交层板的柱状弯曲问题,建立新的数值计算方法。在厚度方向,利用翘曲修正理论,推导出了层板面内位移的两个序列分布规律;在长度方向,采用升阶谱位移函数,应用最小势能原理,给出了层板柱状弯曲的特殊有限元模型。通过典型例题的计算表明:应力、位移在厚度方向的分布计算结果与精确弹性解符合很好。本文方法的自由度少,方法简单,优于一阶剪切理论、高阶理论,适用于解决层板弯曲问题。     

T300 帘子布/ QY9512 缝纫含孔板拉伸性能

针对T300 帘子布/ Q Y9512 缝纫含孔板的面内拉伸性能, 进行了实验研究, 并考虑到缝纫对含孔层合板面内性能的影响建立了有限元分析模型。结果表明, 该模型能有效地分析缝纫含孔板的拉伸性能, 缝纫后含孔板拉伸强度没有变化或略有提高, 而缝纫方向对孔板的拉伸强度无明显影响。      

复合材料层合板机械连接处失效过程的数值模拟

考虑了损伤累积、刚度退化和破坏准则,研究了带孔洞复合材料层合板受面内载荷作用的失效过程.应力分析建立在三维有限元模型基础上,借助有限元商业软件ANSYS中的参数化设计语言APDL,考虑材料损伤累积和刚度退化,采用迭代算法,实现了层合板机械连接处的破坏过程模拟.为验证三维有限元模型的有效性,将模拟计算得到的孔边应力分布与文献中的结果进行了比较,两者十分吻合.进一步计算了层合板的位移一挠度曲线,并与实验结果进行了比较,验证了数值模拟的正确性.     

线加权余量法及其在正交异性板弯曲分析中的应用

利用有限差分法对控制方程和边界条件进行半离散化,使其定义在一些离散线上,然后采用加权余量法求解。这就是本文提出的线加权余量法,也可称之为有限差分-加权余量分维耦合法。文中以正交各向异性薄板弯曲平衡问题为例推导了有关具体算式,给出了数值算例,说明了本文方法的有效性。     

有限元线法求解非线性模型问题——Ⅳ.弹塑性扭转

本文是有限元线法(FEMOL)求解非线性模型问题的系列工作的结束篇,对弹塑性扭转这一材料非线性模型问题进行了分析求解。文中以理想塑性材料的棱柱体的扭转为例,采用FEMOL单元对弹性区进行离散,并利用平凡ODE技巧将未知的结线端点(弹塑性交界点)的位置坐标纳入FEMOL导出的ODE体系中去,从而将问题转化为标准的非线性ODE问题。文中给出的数值算例表明,本法具有简便易行、迭代次数少、解答信息丰富且精度高等优点。     

考虑纤维损伤的大孔口层合板缝合补强等效力学模型

针对含大孔口层合板（层合板宽度D与开孔半径R的比例D/R<6）缝合补强,考虑缝合线对面内纤维造成弯曲、断裂及针脚处夹杂和富树脂区的影响,利用有限元软件建立了大孔口层合板缝合补强模型。在拉伸载荷作用下,计算了不同缝合参数（针距、行距、边距、缝合线直径、缝合线张力）对层合板力学性能的影响。并将不同缝合参数对面内纤维造成的损伤等效为孔径的扩展,建立其等效开孔无边缘效应层合板有限元模型,得出了缝合补强时不同缝合参数对层合板整体承载能力的影响规律。针距越小,层合板承载能力越低;当针距小于3.14 mm时,随着边距的增大,层合板承载能力单调减小;当针距介于3.14 mm与6 mm之间时,随着边距的增大,层合板承载能力呈现出类似于正弦函数的变化形式,且整体趋势增大;当针距大于6 mm时,随着边距的增大,层合板承载能力单调增大;当中心圆孔的0°与90°位置存在针脚缺陷时,易造成层合板提前破坏。      

Experimental determination of residual stresses in composite laminates [02/θ2]s

The present work aims to determine the residual stresses in carbon fiber/epoxy composite laminates, by means of the incremental hole-drilling method. Based on mechanical theories of composite laminates and an elastic plate with a circular hole, the relationship between the relaxed strains on the surface of laminates and the residual stresses in laminates was established. This newly deduced theoretical formula was adapted into the incremental hole-drilling method and allowed us to further study the residual stresses in the through-thickness direction for various composite laminates. Related numerical modeling of composite laminate with a hole was built to calibrate the coefficients within the formula. Experiments were conducted and the residual stresses in composite laminates [0₂/θ₂]_s are presented. The proposed approach was validated with the consistence between our results for cross-ply laminates and those in literature.     

含压电片复合材料层合板的高阶计算模型

给出了一种分析含任意内埋压电片复合材料层合板的高阶耦合模型, 板的位移场采用三阶剪切理论, 并提出了压电片中电势场在厚度方向的三次分布模式, 可以更精确地描述力、电耦合作用下电场的非均匀分布。在平面应力的假设下给出了简化的压电材料本构方程, 推导了基于该模型的压电层合板有限元计算公式, 并对双压电片梁的弯曲和层合板的变形控制进行了计算, 压电梁的弯曲计算结果与解析结果吻合良好, 表明本文的模型和公式是精确有效的。     

极坐标系中弹性力学平面问题的Hamilton正则方程及状态空间有限元法

本文给出了极坐标系下弹性力学平面问题的Hamilton正则方程,并提出一种求解该方程的状态空间有限元法。文中通过对Hellinger-Reissner混和变分原理的修正,导出了Hamilton正则方程及其对应能量泛函,然后采用分离变量法对其场变量进行分离变量,这样就可在θ方向采用通常的有限元插值,而沿半径r方向采用状态空间法给出解析解答,从而实现了有限元法与控论制中状态空间的结合。通过计算表明,本文方法精度高。