纤维束波动效应对平纹编织复合材料损伤行为的影响

平纹编织复合材料中纤维束波动效应会引起随动材料主方向变化及面外剪切应力集中,为了研究其对平纹编织复合材料力学性能及损伤行为的影响,提出改进的像素法细观有限元单胞模型。模型根据纤维束波动曲线定义了材料主方向的变化,采用Hashin准则模拟纤维束的损伤起始,并引入剪切修正因子考虑面外剪切应力对面内拉伸损伤的影响。模型可以预测平纹编织复合材料的面内拉伸强度和损伤演化过程,结果表明:纤维束材料主方向波动会引起平纹编织复合材料面内拉伸强度下降;面外剪切应力集中是导致复合材料最终失效的主要原因,且随着剪切修正因子增大,复合材料面内拉伸强度显著降低;纤维束材料主方向波动和面外剪切应力集中均对平纹编织复合材料的损伤行为和破坏机理产生了影响,需要在数值分析中对其进行准确描述。      

针刺C/C复合材料面内拉伸强度预测

为研究针刺碳纤维增强碳基体复合材料(针刺C/C复合材料)面内拉伸强度与渐进损伤,建立了针刺C/C复合材料代表性体积单元有限元模型。模型包含无纬布层、网胎层、针刺纤维束、界面4类子区域,并考虑了孔隙的影响。采用基于应变的破坏准则及指数型损伤演化规律研究无纬布层及针刺纤维束损伤,采用弹塑性本构研究网胎层损伤,采用内聚力牵引分离定律和二次应力破坏准则分析界面损伤。通过两步法计算了孔隙对材料性能的折减效果,并得到上述4个子区域的力学性能,通过ABAQUS UMAT预测了材料的面内拉伸应力-应变曲线及各子区域损伤起始、演化与失效过程,非线性趋势及拉伸强度数值与试验数值吻合较好,验证了该模型有效性。      

含纤维束截面形状变化的三维编织复合材料细观模型及刚度预报

基于实验观察和理论研究, 重点分析了材料内部区域纤维束的空间构型, 建立了一个新的三维实体细观结构模型, 并指出了编织工艺参数和模型细观结构参数之间的关系。该模型较真实地反映了纤维束之间的相互挤压变形方式, 纤维束横截面积沿纤维束轴向不断变化, 更符合三维四向编织复合材料的实际结构。基于刚度体积平均及柔度体积平均混合思想, 建立了相应的刚度预报模型。用该模型计算编织复合材料几何特性及工程弹性常数的数值结果与试件实测数据吻合, 表明了该模型的合理有效性, 为进一步研究三维编织复合材料的拉伸强度及破坏机制提供了基础。     

基于单胞解析模型的复合材料层合板渐进损伤数值分析

基于单胞解析模型,建立一种从复合材料细观组分到宏观层合板的渐进损伤分析模型。根据连续介质力学和均匀化方法构建细-宏观关联矩阵,通过该矩阵将细观组分材料的弹性和损伤性能传递到宏观复合材料中。该模型只需给出纤维和基体的材料属性及纤维体积含量无需层合板的弹性和强度参数,通过组分材料的损伤失效判据确定其是否损伤,如果发生损伤则用损伤因子折算成相应的刚度衰减。通过用户材料子程序UMAT 及VUMAT将单胞解析模型以及损伤理论嵌入到有限元软件ABAQUS 中,对开孔复合材料层合板的渐进损伤过程进行模拟,预测了层合板强度。结果表明:预报的强度与试验值吻合较好,验证了该方法的有效性。     

三维编织复合材料渐进损伤模拟及强度预测

采用考虑纤维束相互挤压的纤维束截面八边形单胞模型, 引入周期性边界条件, 对三维编织复合材料的渐进损伤过程进行数值模拟, 并预测了材料的拉伸强度。通过在应变能密度函数中引入损伤状态变量, 建立了含损伤材料的刚度矩阵, 运用基于不同失效模式下损伤状态变量的刚度渐进折减法表征材料积分点损伤, 通过数值结果与试验结果的对比, 分析了Hashin和Tsai-Wu两种准则作为判定纤维束起始损伤的适用性。分析表明: 基于引入不同失效模式的Tsai-Wu准则的数值模拟和试验结果吻合良好; Hashin准则不适合作为编织纤维束的损伤判据; 不同编织角材料的失效机制不同。      

平纹编织SiC/SiC复合材料多尺度建模及强度预测

连续SiC纤维增强SiC基体复合材料（SiC/SiC）具有优异的高温力学性能、辐照稳定性及较低的氚渗透率,在核工程结构领域具有良好的应用前景,掌握其承载状态下的损伤演化和强度性能,对SiC/SiC复合材料的应用具有重要指导意义。本文基于平纹编织SiC/SiC复合材料的制备过程和组分材料分布的多尺度特性,考虑复合材料微观结构的局部近似周期性,建立了纤维丝尺度和纤维束尺度单胞模型。使用有限元分析软件对纤维丝尺度模型的弹性性能和强度性能进行预测,将这些性能参数代入纤维束尺度模型,引入Tsai-Wu失效准则,根据材料的不同失效模式并对失效单元进行方向性刚度折减,模拟了平纹编织SiC/SiC复合材料在单轴拉伸载荷下的渐进损伤过程。数值模拟曲线与试验曲线吻合较好,实现了对平纹编织SiC/SiC复合材料强度的有效预测。      

基于面-内胞模型的三维四向编织复合材料渐进损伤数值模拟

为了准确预测三维四向编织复合材料的纵向拉伸力学性能,对编织复合材料的面胞和内胞细观实体模型进行参数化建模,面胞模型考虑了纱线空间轨迹的偏移和横截面的挤压变形。用体素网格离散模型并施加合适的边界条件,将各组分材料的损伤模型编入到有限元分析软件ABAQUS用户定义材料子程序UMAT中。分别对内编织角为30°和45°的三维四向碳纤维/环氧树脂编织复合材料的面-内胞模型进行数值分析,经体积加权平均获得不同厚度编织复合材料试件的纵向拉伸模量和强度,通过统计具有相同破坏模式的积分点数量研究复合材料的渐进损伤过程。结果表明:基于面-内胞模型预测三维四向编织复合材料的纵向拉伸力学性能与试验值吻合良好,损伤分析结果合理地反映了面胞和内胞的渐进损伤过程。      

二维编织陶瓷基复合材料偏轴拉伸力学性能预测

基于二维编织C/SiC复合材料的细观结构,建立了碳纤维丝/热解碳界面/SiC基体和纤维束/表层SiC基体两种尺度下的细观单胞模型,通过有限元方法计算碳纤维丝/热解碳界面/SiC基体模型的等效弹性常数和强度,然后代入纤维束/表层SiC基体模型中计算,并引入Tsai-Wu失效准则,考虑不同失效模式的损伤,建立了二维编织C/SiC复合材料的渐进损伤模型,模拟了其偏轴拉伸应力-应变行为。针对该模型,阐述了二维编织C/SiC复合材料单胞模型在复杂应力状态下其纤维束的损伤过程。数值模拟结果与实验数据吻合较好,验证了模型的有效性,为该种材料的力学性能分析提供了一种有效方法。     

含雷击热-力耦合损伤复合材料层压板拉伸剩余强度预测

为了对含雷击热-力耦合损伤复合材料层压板的剩余强度进行预测,基于连续介质损伤力学法(CDM)和唯象分析法,建立了表征复合材料雷击热-力耦合损伤的刚度矩阵渐进损伤退化模型。基于该模型,通过ABAQUS有限元仿真软件,建立了含雷击热-力耦合损伤的复合材料层压板结构三维模型。结合UMAT子程序,完成了拉伸载荷下的剩余强度预测。结果表明:通过与试验对比,仿真结果与试验结果取得了良好的一致性。本文所建立模型,能够有效进行含雷击热-力耦合损伤复合材料层压板结构拉伸剩余强度预测。     

2D-C/SiC复合材料偏轴拉伸力学行为研究

通过对2D-C/SiC复合材料试件进行不同偏轴角度的拉伸实验,研究了偏轴角度对材料拉伸力学特性的影响。通过应变片分别测得了材料加载方向和纤维束方向上的应力-应变行为,对比分析了偏轴角度对上述应力-应变行为的影响;并结合试件断口扫描电镜照片,阐释了纤维束方向上拉伸和剪切损伤间的相互耦合效应。实验结果表明,材料的拉伸模量和强度随偏轴角度的增大出现明显下降;材料纤维束方向上的拉伸损伤和剪切损伤具有显著的相互促进作用。最后,以材料0°拉伸和45°拉伸实验数据为基础,建立了材料的偏轴拉伸应力-应变行为预测模型,模型预测结果与实验结果吻合较好。     

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。     

Simulating Initial and Progressive Failure of Open-Hole Composite Laminates under Tension

A finite element (FE) model is developed for the progressive failure analysis of fiber reinforced polymer laminates. The failure criterion for fiber and matrix failure is implemented in the FE code Abaqus using user-defined material subroutine UMAT. The gradual degradation of the material properties is controlled by the individual fracture energies of fiber and matrix. The failure and damage in composite laminates containing a central hole subjected to uniaxial tension are simulated. The numerical results show that the damage model can be used to accurately predicte the progressive failure behaviour both qualitatively and quantitatively.     

Meso-Scale Damage Simulation of 3D Braided Composites under Quasi-Static Axial Tension

The microstructure of 3D braided composites is composed of three phases: braiding yarn, matrix and interface. In this paper, a representative unit-cell (RUC) model including these three phases is established. Coupling with the periodical boundary condition, the damage behavior of 3D braided composites under quasi-static axial tension is simulated by using finite element method based on this RUC model. An anisotropic damage model based on Murakami damage theory is proposed to predict the damage evolution of yarns and matrix; a damage-friction combination interface constitutive model is adopted to predict the interface debonding behavior. A user material subroutine (VUMAT) involving these damage models is developed and implemented in the finite element software ABAQUS/Explicit. The whole process of damage evolution of 3D braided composites under quasi-static axial tension with typical braiding angles is simulated, and the damage mechanisms are revealed in detail in the simulation process. The tensile strength properties of the braided composites are predicted from the calculated stress-strain curves. Numerical results agree with the available experiment data and thus validates the proposed damage analysis model. The effects of certain material parameters on the predicted stress-strain responses are also discussed by numerical parameter study.     

Effects of shape memory alloys on low velocity impact characteristics of composite plate

The effects of shape memory alloy thin films embedded in composite plates for improving damage resistance of composite structures under low velocity impact were investigated numerically. Analysis model for SMA thin film was developed based on Lagoudas’ model and implemented using the user defined material subroutine of the ABAQUS/Explicit finite element program. Composite damage model based on the Chang–Chang failure criteria was also implemented to consider progressive damage behavior. The finite element simulation of low velocity impact behavior of a shape memory alloy hybrid composite plate was performed using the ABAQUS/Explicit program. Parametric studies were performed to investigate the effect of shape memory alloys for improving damage resistance of composite plate.     

Fatigue life prediction of carbon/epoxy laminates by stochastic numerical simulation

A three dimensional (3D) finite element model is developed to predict the progressive fatigue damage and the life of a plain carbon/epoxy laminate (AS4/3501-6) based on the longitudinal, transverse and in-plane shear fatigue characteristic. The model takes into account stress analysis, fatigue failure analysis, random distribution and material property degradation. Different cross- and angle-ply laminates including [0₈], [90₈], [0/90₂]_s, [0/90₄]_s, [0₂/90₂]_s, [30₁₆], [45/−45]_2s with the available experimental data are considered for the fatigue life simulation. In order to consider the random distribution of the laminate’s properties from element to element in the model, the laminate’s stiffness, and strength are randomly generated using a Gaussian distribution function. Sudden and gradual material properties degradation are considered during the fatigue simulation. The progressive fatigue damage and failure analysis is implemented in ABAQUS through user subroutines UMAT (user-defined material) and USDFLD (user-defined field variables). The predicted fatigue life of the simulation for different laminates is in good agreement with the experimental results.     

基于弹塑性损伤本构模型的复合材料层合板破坏荷载预测

在连续损伤力学和塑性力学框架内,建立一个同时考虑塑性效应和损伤累积导致材料属性退化的复合材料弹塑性损伤本构模型。基于最近点投影回映算法,开发本构模型的应变驱动隐式积分算法以更新应力及与解答相关的状态变量,并推导与所开发算法相应的数值一致性切线刚度矩阵,保证有限元分析采用NewtonRaphson迭代法解答非线性问题的计算效率。采用断裂带模型对已开发的本构模型软化段进行规则化,以减轻有限元分析结果的网格相关性问题。对损伤变量进行粘滞规则化,并推导出相应的粘滞规则化数值一致性切线刚度张量,解决了在有限元隐式计算程序中采用含应变软化段本构关系的数值分析由于计算困难而提前终止的问题。开发包含数值积分算法的用户材料子程序UMAT,并嵌于有限元程序Abaqus v6.14中。通过对力学行为展现显著塑性效应的AS4/3501-6V型开口复合材料层合板的渐进失效分析,验证本文提出的材料本构模型的有效性。结果显示,预测结果与已报道的试验结果吻合良好,并且预测精度高于其他已有弹性损伤模型。表明已建立的弹塑性损伤本构模型能够准确预测力学行为,展现显著塑性效应的复合材料层合板的破坏荷载,为其构件和结构设计提供一种有效的分析方法。