复合材料层板开孔压缩损伤分析

针对纤维增强复合材料层板开孔压缩, 将复合材料层板的失效分为层内失效和层间失效, 建立了复合材料层板开孔压缩损伤分析模型。该模型基于逐渐损伤分析, 对不同复合材料开孔层板进行了失效预测, 并与文献中试验结果进行了对比, 破坏强度和失效模式均与文献试验结果非常吻合。结果表明, 本文中所建立的层板开孔压缩损伤分析模型能够模拟含孔层合板压缩过程中的损伤起始、损伤扩展和最终破坏, 并最终预测含孔层合板压缩失效模式和破坏强度。     

湿热环境下复合材料含孔层合板静力拉伸性能及工程估算模型

湿热环境下的复合材料结构件力学性能预测对其工程应用具有重要意义。文中针对复合材料层合板静力拉伸性能和强度预测问题,开展6种湿热环境下复合材料含孔层合板的静力拉伸试验,分析其结构失效响应及损伤表征。基于应力场强法建立湿热环境下复合材料含孔层合板工程估算模型,与有限元渐进损伤模型和试验结果进行对比,分析了湿热环境对含孔层合板力学性能和拉伸失效的影响。结果表明,工程估算模型预测结果与有限元及试验结果误差范围较小,可用于预测温度和吸湿率对含孔层合板拉伸失效强度的影响;相比于室温干态,75℃吸湿饱和态下试件拉伸失效强度下降了6.1%;25℃干态和75℃吸湿饱和态下含孔层合板0°铺层出现最为严重的纤维拉伸失效,90°铺层出现最为严重的基体拉伸失效,纤维拉伸失效和基体拉伸失效为层合板主要破坏模式;通过扫描电镜对75℃吸湿饱和态下层合板厚度方向微观形貌进行分析,发现试件0°方向纤维与树脂的脱粘程度加重且出现明显的裂痕,90°方向纤维分布较为齐整,但黏附的树脂较少。     

湿热环境下开孔复合材料层合板的强度

通过试验研究T300/5405复合材料层合板在6种湿热环境下开孔拉伸、开孔压缩的极限强度,分析了湿热环境对开孔复合材料层合板强度性能的影响,对比了不同湿热环境下材料的破坏模式。在有限元仿真方面,通过考虑湿热环境对材料刚度和强度的影响,建立了湿热条件下复合材料开孔层合板极限强度的预测方法,模拟了开孔复合材料层合板在不同湿热环境、不同载荷类型下的损伤演化全过程。有限元预测结果与试验结果的误差在20%以内,验证了该预测方法的有效性。     

含孔玻璃纤维/环氧树脂复合材料-铝合金层板的拉伸损伤行为与热暴露响应

采用试验和数值方法研究了含孔玻璃纤维/环氧树脂(GF/EP)复合材料-铝合金层板在不同热暴露温度下的拉伸剩余强度和损伤失效模式,揭示了层间损伤、纤维损伤及基体损伤的演化过程。结果表明:随着热暴露温度升高,含孔GF/EP复合材料-铝合金层板剩余强度不断下降,拉伸破坏呈现出明显的纤维断裂与层间分层混合失效模式。热暴露温度越高或开孔直径越大,GF/EP复合材料-铝合金层板的层间分层损伤区域越小。随着载荷的增大,沿加载方向的0°纤维和基体的损伤分别呈现出类似“漏斗”形和“花瓣”状的损伤演化形式,而层间损伤区域呈现出一对相对开孔对称的三角形损伤演化形式。基于GF/EP复合材料-铝合金层板的剩余强度和损伤失效模式的数值仿真与试验结果吻合较好。      

含孔复合材料层合板逐渐损伤破坏分析

采用逐渐损伤模型有限元技术对含复合材料层板损伤破坏规律进行了研究，编制了面向对象的后处理软件，为损伤累积，损伤扩展与破坏以及损伤类型与模式的预测和研究提供了先进手段，并针对含孔T30／KH304复合材料层板进行了数值模拟和试验研究，研究表明，采用二维逐渐损伤模型及分析方法，以及所发展的后处理模拟分析软件能够较好地模拟含孔层合板的损伤破坏规律和位移－载荷的响应规律，以豚预测层合板的损伤类型，破坏模式和破坏强度，得到了一些有意义的结论。     

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。     

含分层损伤缝合复合材料层板的剩余压缩强度

基于渐进损伤方法,研究了含单脱层缝合复合材料层板在压缩载荷下的剩余强度。通过商用软件ABAQUS建立了含单脱层缝合复合材料层板剩余压缩强度计算模型,考虑了子层屈曲和分层扩展对剩余强度的影响。通过UMAT子程序实现了层板失效、层间失效和缝线失效的模拟。通过嵌入式杆单元结构模拟了缝线桥联作用及失效。采用Hashin准则及刚度折减法对纤维拉压、基体拉压失效进行了模拟。通过渐进损伤分析,揭示了缝合情况下含单脱层复合材料层板的失效机理,讨论了缝合参数对剩余压缩强度的影响。所预测的破坏模式和剩余强度结果与实验能较好地吻合。分析表明缝合可以明显提高含分层损伤复合材料层板的子层屈曲载荷,抑制分层扩展,并提高层板的剩余压缩强度。     

层合板螺栓连接的渐进失效分析

以三维渐进损伤理论为基础,采用ANSYS的二次开发语言,建立了复合材料层合板螺栓连接模型,在拉伸栽荷下对含孔复合材料板进行数值失效模拟计算．分析各铺层的失效过程和失效形式特点,得到层合板的初始失效栽荷和最终失效栽荷,为复合材料含孔板强化结构的研究提供一定参考．     

各向异性复合材料开孔板拉伸强度预测及模型验证

基于有限断裂力学方法建立了一种预测多向复合材料开孔板拉伸强度的通用和半经验模型。该模型同时采用基于应力形式的失效准则和基于能量形式的失效准则预测失效。模型仅需铺层弹性常数、无缺口层合板的强度以及0°铺层的断裂韧性等参数。基于线弹性断裂力学建立了多向复合材料层合板的断裂韧性与0°铺层断裂韧性之间的关系, 进而预测了任意铺层复合材料开孔板发生纤维主导拉伸失效时的强度。将模型预测结果与开孔板拉伸强度的试验数据进行了对比验证, 预测误差最大为9.7%, 与点应力和平均应力等方法的对比表明, 该模型的预测精度高于传统的特征长度方法。      

拉伸载荷下贴补复合材料层合板的渐进损伤分析

基于连续介质损伤力学和粘聚区模型建立了贴补复合材料层合板的渐进损伤分析模型,计算了拉伸载荷下修补结构的极限强度。数值仿真结果和实验结果吻合较好,验证了该模型的有效性。基于建立的模型研究了贴补复合材料层合板的损伤演化过程,并讨论了补片参数对修补结构拉伸性能的影响。研究结果表明:补片参数对贴补复合材料层合板的破坏模式与损伤演化过程有显著影响;不同破坏模式下,补片参数的改变对修补结构极限强度的影响效果不同。研究结果可为复合材料层合板的贴补设计提供部分理论参考。     

变刚度复合材料开孔板拉伸行为数值模拟及试验验证

纤维曲线铺放是提高复合材料构件力学性能的有效方法之一。本文针对复合材料开孔板铺放轨迹进行了研究,利用B样条曲线插值拟合获取了开孔板最大主应力铺放轨迹,并通过离散网格法建立了变刚度开孔板模型,通过引入Tsai-Wu损伤失效判据以及常刚度退化准则,进行了拉伸失效数值模拟及损伤失效分析,并分别铺放了两组常刚度和变刚度开孔板试验样件,进行了拉伸对比试验。结果表明：数值模拟与实验数据吻合较好,变刚度开孔板相比常刚度开孔板,拉伸强度提升了26.92%,且两者损伤失效演化过程显著不同。     

不同环境下宽径比对碳纤维增强环氧树脂复合材料开孔层压板压缩失效的影响

复合材料结构强度的参数影响研究是结构设计的必要内容,然而还缺乏在不同湿热环境条件下结构尺寸对其强度的影响研究。采用数值和试验方法研究了宽径比（W/D）对不同湿度、温度时T800/X850碳纤维增强环氧树脂复合材料（CF/EP）开孔层压板压缩强度的影响。设计了参数影响研究试件,通过试验获得了不同湿热条件下的开孔层压板压缩失效结果;并利用现有的考虑湿热影响的复合材料渐进损伤方法,建立了湿热及几何参数影响的渐进损伤模型,通过将预测结果与试验结果对比验证了模型正确性。进一步结合试验和数值分析,揭示了不同湿热条件下几何参数的影响规律。研究表明:湿热环境对T800/X850 CF/EP开孔板的压缩失效载荷影响显著,相比于室温干态（RTD）,室温湿态（RTW）和高温湿态（ETW）压缩失效载荷分别下降了7.75%和14.68%; RTW和RTD失效形式接近,ETW失效形式不同且失效面积更大; RTW和RTD时压缩失效强度随W/D的增大而增大,增大速度相似,ETW增大速度比前两者慢。      

剪切载荷作用下复合材料挖补修理层合板试验及有限元分析

为了确定剪切载荷作用下含非穿透损伤复合材料挖补修理层合板的破坏模式和抗剪切能力,进行了复合材料挖补修理层合板的剪切试验,并与未损伤复合材料层合板进行对比。试验结果表明,复合材料挖补修理后的层合板具有较高的强度恢复率,且不影响层合板的后屈曲承载能力。同时,建立了剪切载荷作用下复合材料挖补修理层合板的有限元分析（FEA）模型,复合材料母板和补片采用了三维Hashin准则来判定材料失效,母板层与层之间采用零厚度界面单元以有效模拟剪切载荷作用下复合材料母板上、下子板之间的分层。该模型得到的破坏模式与试验结果基本相符。由于挖补修理的设计与工艺复杂性,理论模拟的破坏载荷与试验结果虽不能完全吻合,但其最大15%左右的差异能够满足修理设计的需要。以上结果说明,该模型对剪切载荷作用下复合材料挖补修理层合板的破坏模式和破坏载荷能够进行工程适用的预测。     

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。     

3D constitutive model of anisotropic damage for unidirectional ply based on physical failure mechanisms

A 3D anisotropic continuum damage model is developed for the computational analysis of the elastic–brittle behaviour of fibre-reinforced composite. The damage model is based on a set of phenomenological failure criteria for fibre-reinforced composite, which can distinguish the matrix and fibre failure under tensile and compressive loading. The homogenized continuum theory is adopted for the anisotropic elastic damage constitutive model. The damage modes occurring in the longitudinal and transverse directions of a ply are represented by a damage vector. The elastic damage model is implemented in a computational finite element framework, which is capable of predicting initial failure, subsequent progressive damage up to final collapse. Crack band model and viscous regularization are applied to depress the convergence difficulties associated with strain softening behaviours. To verify the accuracy of the damage model, numerical analyses of open-hole laminates with different lay-up configurations under tension and compression were performed. The numerical predictions were compared with the experimental results, and satisfactory agreement was obtained.     

Numerical analysis of size effects on open-hole tensile composite laminates

The tensile strength of open-hole fibre reinforced composite laminates depends on in-plane, thickness and ply lay-up scaling. Translaminar (fibre direction) mode I fracture toughness has recently been experimentally determined to be thickness dependent. This paper presents a computational study of the tensile strength prediction of open-hole laminates using a cohesive zone model. To the authors’ knowledge, it is for the first time in the literature that the thickness-dependence of translaminar fracture toughness is accounted for in the numerical modelling of composites. The thickness size effect in the strength of open-hole composite laminates failed by pull-out is accurately predicted for the first time by a deterministic model. It is found that neglecting delamination in the numerical models will lead to mesh-dependency and over-estimation on the predicted strength. Smeared crack model with cohesive elements to model delamination is able to predict the correct failure mode; but it is found not suitable for accurate strength predictions for laminates failed by delamination.     

复合材料层合板剪切稳定性试验及强度预测

对无损伤及含冲击损伤的复合材料层合板进行了剪切稳定性试验,基于数字图像相关方法 (Digital image correlation,DIC)对层合板屈曲后屈曲行为进行了实时测量。试验结果表明：引入冲击损伤后,复合材料层合板剪切屈曲波形、屈曲载荷无明显变化,失效模式转变,承载能力下降了9.69%。随后,基于断裂面失效理论,建立了考虑剪切非线性效应的复合材料渐进损伤失效模型,并对复合材料层合板剪切失效过程进行了模拟。模型采用软化夹杂法将冲击损伤等效简化,直接将损伤区的几何边界信息写入材料模型中,不需要对冲击损伤区进行切割,从而保证了整体网格质量。与试验结果对比发现：模型考虑剪切非线性对屈曲载荷预测无明显影响,对后屈曲承载能力的预测精度影响较大,不考虑剪切非线性效应时的误差可达20%以上;软化夹杂法可以有效地模拟冲击损伤,预测的含冲击损伤的复合材料层合板的屈曲载荷、破坏载荷误差分别为-3.17%、-1.27%。