基于人工蜂群算法的复合材料层间内聚力模型参数反演

内聚力模型在复合材料结构分层损伤评估中已得到广泛应用,准确获得内聚力模型的参数对评估结果有重要影响.对内聚力模型的参数反演进行了研究,通过复合材料双悬臂梁试验获取加载点载荷-位移数据信息,结合对应的有限元正演模型输出构建目标函数,采用人工蜂群算法优化识别出层间内聚力模型参数.数值仿真和试验结果表明,人工蜂群算法较遗传算...     

一种复合材料层合板分层扩展的修正内聚力模型

针对复合材料的分层现象,考虑初始断裂韧性和裂尖材料损伤的影响,提出了一种修正内聚力模型,并给出了内聚力模型参数确定的方法.根据相关试验,采用该方法,获得了考虑初始断裂韧性和裂尖材料损伤的内聚力模型,基于该内聚力模型对试验进行了仿真分析.结果 表明,与仅考虑初始断裂韧性获取的内聚力模型相比,考虑初始断裂韧性和裂尖材料损伤的内聚力模型,可以更加准确地模拟复合材料的分层现象.     

多裂纹梁不确定性损伤识别和实验研究

对于多裂纹梁识别过程中的测试数据的不确定性问题,基于传递矩阵法推导了悬臂裂纹梁的频率特征方程,构建损伤参数(损伤位置和损伤深度)和动态特征参量(频率和模态)的映射关系。基于贝叶斯推断理论建立了损伤参数识别的贝叶斯模型,选择均匀分布作为损伤参数的先验分布,以悬臂裂纹梁固有频率和模态振型的测试值作为样本信息,建立损伤参数的后验概率分布。采用马尔科夫链蒙特卡洛模拟方法来解决贝叶斯方程中存在的高维积分的问题,通过仿真算例分析和实验研究,实现了对多裂纹梁损伤参数的有效识别。     

搭接长度对平纹机织复合材料胶接结构连接性能影响的多尺度分析

针对平纹机织复合材料层合板,首先基于均匀化方法确定细观模型的性能参数,其次采用Hashin准则分析细观模型损伤过程,最后引入连续损伤力学模型和内聚力模型建立层合板胶接结构宏观模型。研究结果表明,平纹机织复合材料层合板的数值曲线与试验结果吻合较好,验证多尺度模型的有效性;搭接长度在5～15 mm时,随着搭接长度的增大,单搭和双搭胶接结构的极限失效载荷逐渐增大,并趋于稳定,而搭接剪切强度逐渐减小;单搭和双搭胶接结构的失效形式随着搭接长度的增大逐渐由胶层剪切失效过渡到层间分层失效;相同搭接长度下,与单搭胶接结构相比,双搭结构的极限失效载荷较大。基于均匀化方法、Hashin失效准则、内聚力模型和连续损伤力学模型,提出一种平纹机织复合材料多尺度模型,对结构性能设计和使用寿命具有重要意义。     

复合材料斜接接头强度数值仿真研究

复合材料斜接接头是胶接结构主要形式之一,其失效模式复杂,包括复合材料层合板和胶层的多种失效模式。提出了一种包含两种不同失效模型的分析方法,采用基于三维Hashin失效准则和指数型刚度退化准则的渐进损伤模型仿真复合材料层合板层内失效,采用内聚力模型仿真胶层失效和层合板层间失效。基于该方法建立了复合材料斜接接头强度分析三维模型,使用试验数据验证了该仿真模型,并利用该模型分析了接头的失效机理。在此基础上,研究了接头斜削角和胶层断裂韧性等设计参数对连接强度的影响,得到了上述参数对斜接接头强度影响的规律。     

含界面SiC/TC4复合材料拉伸强度预测及试验验证

为了预测纤维增强复合材料的拉伸强度,建立基于双线性内聚力模型的含界面代表体积元模型,结合最大应力准则和最大位移准则分析界面在拉伸载荷下的损伤演化过程,得到复合材料纵向和横向拉伸强度,并讨论了温度对SiC/TC4复合材料强度的影响。结果表明,随着温度的升高,复合材料拉伸强度增加,压缩强度减小。开展SiC/TC4层合板拉伸试验,SiC/TC4复合材料纵向和横向拉伸强度预测值与试验强度的误差分别为13.8%和6.9%,可见模型和计算方法有效。     

不确定性因素对某橡胶隔振器连接刚度的影响

设计了两类可以分离某橡胶隔振系统不确定性源的模态试验,并对每类试验进行了重复试验。根据试验结果,基于传统有限元模型修正方法对隔振系统的连接刚度进行了识别。基于贝叶斯方法并结合马尔可夫链蒙特卡罗(Markov chain Monte Carlo,简称MCMC)抽样研究得到了连接刚度的概率密度,并结合随机变量的运算量化了各不确定性源对隔振器连接刚度的影响,最后通过确认试验验证了连接刚度不确定性模型的有效性。研究结果表明,隔振系统装配不确定性对连接刚度的影响比隔振器橡胶材料分散性的影响低一个数量级。     

细观力学模型预测复合材料横向强度性能研究

为了研究纤维增强复合材料在横向拉压载荷下的力学性能,采用细观力学有限元法与随机扰动法建立了表述复合材料微观结构的纤维随机分布代表性体积单元。对于界面脱粘与基体塑性变形这两种主要的损伤模式,分别用界面内聚力单元模型、基体Drucker-Prager弹塑性模型模拟,并结合塑性失效准则模拟基体的初始损伤与断裂,得出了材料在外载作用下的渐进损伤过程,并与试验结果进行了对比验证。此外,还总结了界面刚度、界面强度、界面断裂能等细观参数对损伤本构的影响规律。     

基于递归量化观测的复合材料损伤贝叶斯估计方法

针对复合材料损伤定位定量识别中损伤指数构建困难与损伤预测的不确定性问题,提出一种基于递归量化特征观测的 损伤状态贝叶斯概率估计方法。 该方法无需基准无损信号参考与损伤波包识别,采用 Lamb 波信号的递归量化分析(RQA)特 征,从结构非线性动力学角度对复材板内部损伤进行观测,根据特征与损伤位置大小的相关性与单调性进行了敏感特征筛选。 根据各传感路径信号的 RQA 特征与损伤形态参量间的线性/ 非线性关联特性,采用多变量二次交互模型建立了损伤状态的特 征描述空间。 综合考虑各传感路径中 RQA 特征对损伤观测的不确定因素,建立了复材板损伤状态的观测模型,采用贝叶斯更 新算法对复材板损伤位置尺寸进行估计。 复材板的脱层损伤仿真分析结果表明,本文提出方法无需分析结构损伤与 Lamb 波 的复杂交互机制,就能同步实现复材板内部损伤的量化评估与定位分析,估计出的损伤位置大小在仿真模型的损伤参数设定值 的 75% 置信区间内,损伤估计成像区域与仿真损伤区域相符合。 复合材料板的疲劳损伤试验分析结果表明,采用本文方法经过 24 次迭代更新后,得到的损伤面积与大小完全覆盖了 X 射线扫描检测的真实损伤。 该方法充分考虑了复材板损伤评估中的不 确定因素,更加贴合复合材料结构损伤检测与评估的工程实际应用,具有较好的应用前景。     

不同胶接参数对CFRP层合板单搭胶接结构强度的影响及优化设计

对于碳纤维增强基复合材料(Carbon fibre-reinforced polymer,CFRP)层合板单搭胶接结构的优化问题,首先利用连续损伤力学模型、三维Hashin准则和内聚力模型研究不同胶接参数对CFRP层压板单搭胶接结构力学性能的影响,其次采用拉丁超立方试验设计方法和响应面法构建了拉伸强度代理模型,最后基于遗传算法和代理模型进行联合优化.结果 表明,仿真与试验吻合较好,数值结果与试验结果的误差均低于10％,验证了有限元模型的精确性.随着搭接长度的增大,拉伸强度和层合板层间分层损伤程度逐渐增大,剪切强度和胶层自身剪切失效程度逐渐减小;胶接结构的力学性能及失效形式随着铺层方式的不同而改变.最佳铺层顺序、胶接长度、胶层厚度和搭接宽度分别为[03/903]2s、20 mm、0.0607 mm和10 mm.与常规单搭胶接结构相比,拉伸强度和剪切强度分别提高了25.92％和25.88％.采用遗传算法对CFRP层合板单搭胶接结构进行优化,对提高单搭接接头的力学性能具有重要意义.     

基于曲率模态的复合材料层合板分层损伤检测方法研究

基于振动信号应用曲率模态方法对复合材料层合板分层损伤进行损伤检测。首先由数值模拟所得不同状态下损伤以及未损伤层合板振动特性参数计算其振型曲率和均布载荷曲面值曲率;然后基于损伤与未损伤层合板曲率值的差分值建立损伤识别指标进行分层损伤检测。最后,为解决差分算法对结构未损伤模型参数的依赖性问题,引用曲面光滑算法和曲率模态变化率法直接对损伤结构进行损伤提取。结果表明,运用曲率参数差分法可以很好地识别各类损伤,且对于多层层合板来说损伤所处层的位置会影响损伤指标值的大小。曲面光滑算法和曲率模态变化率法均可不依赖于未损伤结构参数识别各类损伤,且曲面模态变化率法的检测效果优于曲面光滑算法。     

基于动力响应的不确定性结构概率损伤识别

基于被测加速度响应,研究了考虑测量数据不确定性的结构概率损伤识别问题。系统中的不确定性被处理为具有给定方差的零均值正态随机变量。基于理论模型和测量的加速度响应,经过两步模型修正方法分别得到了无损和损伤结构概率模型,进而利用损伤判据确定了各单元的损伤概率。通过对十杆平面桁架结构的损伤识别,讨论了不同采样点个数对识别结果的影响,结果表明了本文方法的有效性和可行性。     

基于内聚单元的复合材料层合板低速冲击损伤的数值模拟

建立了一套有限元模型来预测复合材料正交层合板由低速冲击载荷引起的层间应力及损伤。采用连续壳单元模拟层合板的各个单层,在复合材料层合板的可能损伤区域设置内聚单元模拟面内基体裂纹和层间分层损伤的起始和扩展。引入层间摩擦力模型模拟层间压缩应力对分层损伤的抑制作用。对于正交层合板,有限元模型准确的模拟了低速冲击载荷引起的分层损伤的面积和形状。数值模拟结果也表明面内基体裂纹与层间分层存在着相互作用关系,基体裂纹影响着分层损伤预测的准确性。有限元模拟结果和试验结果的对比表明,基于内聚单元的有限元模型可以用在复合材料正交层合板低速冲击损伤的数值模拟中。     

结合DIC技术的车用复合材料参数反演方法

针对传统电测法在复合材料参数测定中易受环境干扰等问题,提出一种基于数字图像相关(digital image correlation,DIC)技术的车用复合材料参数反演方法。首先通过DIC技术获得复合材料试样的全场位移场,结合有限元仿真,以测量值与仿真值之间的误差为目标函数,构建反问题模型。采用遗传算法和序列二次规划法相结合的策略对材料参数进行反求,获得能表征复合材料真实材料参数的最优值。试验表明,基于DIC技术的反演方法对未知参数在较大区间下具有较强的识别能力,且能一次性且完整地反演复合材料的本构参数,反演精度和计算效率都有一定优势。     

复合材料波纹梁的抗撞可靠性分析

复合材料波纹梁因具有极佳的比吸能特性得到了广泛的应用,然而复合材料的结构参数及材料特性离散性较大,有些不确定参数对波纹梁抗撞性产生很大的影响,因此考虑对抗撞性影响较大的不确定性参数对波纹梁进行抗撞可靠性分析具有重要的工程意义。本文以复合材料波纹梁为研究对象,针对结构中非概率参数的不确定性问题,引入多维椭球凸模型技术,并结合显式有限元技术和多项式响应面模型技术,进行不确定性传播分析,从而找出影响波纹梁抗撞性较大的不确定性参数,对波纹梁的抗撞性可靠性进行分析。结果表明,基于多维椭球凸模型的复合材料抗撞可靠性分析方法具有较高的精度和较强的工程实用性。     

损伤复合材料层板胶接修理强度分析

对于飞行器复合材料结构在制造和服役中产生的缺陷损伤,一种常用的外场临时修理方法是在受损结构的外表面胶接复合材料补片来进行补强。本文采用“双板—弹簧元”和“三板—弹簧元”修正有限元模型分别对层合板的穿透型损伤和半穿透型损伤的临时修理进行强度分析,并进行了相关的强度试验验证。根据计算和试验结果对补片直径、厚度等修理参数对修理效果的影响进行了分析,并提出了合理选择修理参数的一般原则。     

疲劳载荷下复合材料分层损伤扩展的数值模拟方法

为了研究复合材料层合结构在疲劳载荷下的分层扩展行为,开发了复合材料层间疲劳损伤数值计算模型。定义层间材料模型包括层间材料本构关系、损伤判据以及疲劳损伤演化法则。疲劳损伤通过定义内聚力单元损伤变量的演化规律来表示。通过有限元商用软件,考虑到疲劳问题的特点,运用加速算法和疲劳载荷等效原理,并结合自定义材料子程序实现了疲劳损伤的模拟。最后,运用该模型模拟了层状复合材料双悬臂梁的疲劳分层扩展,并将数值模拟结果与实验数据对比,表明该模型在模拟层间裂纹的形成和扩展的有效性。     

考虑强度退化的非线性累积损伤模型分析

工程结构在服役过程中,累积损伤和强度退化同时发生,并相互影响。传统的累积损伤模型大多忽略了强度退化对损伤累积的影响。为建立考虑强度退化的Corten-Dolan累积损伤模型,通过分析强度退化模型推导出强度退化系数,将Corten-Dolan模型中的指数参数d定义为与强度退化系数有关的指数函数。通过试验数据和与文献结果对比验证了改进Corten-Dolan模型的有效性。研究表明:改进的Corten-Dolan模型可以很好地预测疲劳寿命,预测精度比传统Corten-Dolan模型更高。     

含分层复合材料层合板剪切屈曲的实验研究

对含分层损伤的复合材料层合板在纯剪切条件下进行屈曲试验,并通过对试验载荷-应变曲线及损伤形貌的分析以及试验结果和有限元模拟结果的比较,得出复合材料层合板预制分层损伤面积对其剪切屈曲性能的影响.结果表明,试验件含分层损伤面积越大,其破坏载荷越大,而对应的破坏应变越大,因此分层损伤会降低复合材料层合板的承载力和刚度.含分层损伤的层合板试验件其屈曲临界载荷随着分层损伤面积的增加而减小,抗屈曲性能也随之降低.     

基于数字图像相关的粘接界面内聚力模型参数反演识别

胶接装配具有结构简单、质量小、尺寸小、工艺性好等优点，但脱胶破坏等界面失效形式的出现对胶接结构的使用提出了挑战。内聚力模型可以有效表征粘接界面的损伤失效过程，其参数的准确获取对粘接结构的可靠性分析和设计具有重要意义。文中提出了一种基于数字图像相关技术、有限元模拟计算和智能优化算法相结合的内聚力模型参数反演识别方法。首先，采用数字图像相关技术获取双悬臂梁试件在拉伸断裂过程中的粘接区域位移场；其次，基于双线性内聚力模型，建立双悬臂梁试件拉伸断裂的有限元模型，并仿真获得双悬臂梁试件粘接界面开裂过程的位移场信息；最后，采用人工鱼群优化算法迭代试算双线性内聚力模型参数，直至有限元仿真的位移场与数字图像相关技术获取的位移场之间的误差最小。