复合材料层合板冲击后疲劳寿命试验研究与数值模拟

通过对复合材料典型层合板进行落锤冲击试验引入冲击损伤,并对冲击后的复合材料层合板进行不同载荷水平的压-压疲劳试验,得到了不同疲劳载荷作用下层合板损伤扩展规律及疲劳寿命。建立了冲击后层合板疲劳寿命有限元数值计算模型,对层合板进行冲击仿真,并利用有限元软件用户子程序编程,将冲击后计算所得损伤分布结果设置为层合板压—压疲劳寿命计算的起始状态,从而获得层合板在不同疲劳载荷水平下的损伤扩展结果及压—压疲劳寿命数值仿真结果。将试验与有限元数值计算疲劳寿命结果绘制了S-N曲线,通过对比验证了计算结果的准确性,形成一套复合材料层合板冲击后疲劳寿命预测数值计算模型。     

T700/QY8911缝合复合材料层合板的拉伸与疲劳性能

对T700/QY8911缝合复合材料层合板进行了静载拉伸试验和拉-拉疲劳试验,研究了不同缝合方向[0/90]4s和[0/45/90/-45]2s铺层层合板的拉伸和疲劳性能;建立了T700/QY8911缝合复合材料层合板有限元模型并对其弹性模量进行了模拟。结果表明:缝合能明显提高复合材料层合板抵抗分层破坏的能力;缝合层合板在静拉伸载荷下呈线弹性材料的特点,当载荷达到峰值时,缝合层合板具有后续承载能力,而未缝合层合板在峰值后承载能力出现连续下滑,并发生最终破坏;缝合层合板在拉-拉载荷下的疲劳刚度衰减曲线呈三阶段函数特征;缝合层合板的纵向弹性模量的有限元计算结果与试验结果吻合较好,证实了模型的有效性。     

基于累积损伤的三维复合材料层合板疲劳寿命研究

基于渐进疲劳损伤模型,建立复合材料层合板的三维疲劳寿命预测模型,模型以单向板单轴疲劳试验数据为基础,结合正则化剩余刚度模型、正则化剩余强度模型和等寿命曲线,通过层合板三维应力分析、失效分析和材料性能退化的循环迭代进行疲劳寿命计算,在Ansys软件平台上利用APDL语言编写相应的计算程序,估算不同铺层参数层合板在单轴和多...     

T700/3234碳纤维层合板的拉伸疲劳特性分析

通过对T700/3234碳纤维复合材料层合板进行静力拉伸试验和拉-拉疲劳试验,得到层合板的拉伸性能、疲劳寿命和刚度衰减规律,然后采用数值分析方法对层合板的拉伸强度进行预测,并对碳纤维层合板的疲劳S-N曲线以及疲劳刚度衰减进行了研究。结果表明:采用逐渐累积损伤的数值方法所得到的拉伸强度与试验结果较为吻合,根据疲劳理论拟合得到的S-N曲线和刚度衰减曲线很好地描述了材料的疲劳性能,为研究T700碳纤维层合板的疲劳损伤演化提供了重要参考。     

层合板低速冲击损伤的数值模拟

为了分析复合材料层合板在冲击载荷作用下,层合板的损伤演化发展情况,结合采用单元失效技术和铺层刚度退化技术建立层合板低速冲击的三维有限元分析模型。在该模型中,当有限元模型中的单元发生某种冲击失效形式时,定义该单元发生部分失效,并将其刚度适当的退化。计算发现冲击背面容易产生基体开裂,并由此导致分层发生,而且靠近冲击背面的界面所产生的分层面积要较靠近冲击正面的界面的分层面积要大;随着冲击能量的增大,分层面积也增大;当冲击能量很高时,铺层内会出现纤维断裂,同时在层合板的边界处也容易出现损伤,计算结果和试验结果吻合。     

常幅疲劳载荷下复合材料层合板刚度退化试验研究

复合材料层合板在飞机结构中的应用研究一直备受关注。本文主要采用试验方法研究常幅拉伸疲劳载荷作用下3种不同铺层复合材料层合板的刚度随疲劳寿命的变化趋势,取得了大量试验数据,给出了在工程上有价值的结论。     

复合材料受损板的结构分析与强度预测

基于三维逐渐损伤理论,通过采用ANSYS二次开发语言APDL,建立了含孔复合材料层合板的三维有限元模型,通过对层合板进行施压,综合考虑了层合板基体开裂、基纤剪切、分层和纤维断裂四种主要失效模式,并基于刚度退化准则,分析了复合材料层合板内部损伤的产生和扩展过程,求出了层合板的最终失效值。     

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.     

复合材料损伤与疲劳研究的进展

层合复合材料由于疲劳载荷产生的损伤因素很多,都将影响材料的强度、刚度与寿命,其中关键问题是在循环载荷下估算它的残余寿命。目前国内外研究复合材料的损伤力学有两种方法,是相辅相成的。本文最后概述了层合复合材料各种损伤对刚度降估算和基体横向裂纹对残余寿命估算研究进展。     

碳纤维复合材料层合板三点弯曲损伤仿真研究

研究碳纤维复合材料在弯曲载荷作用下的失效形式与损伤过程,以预测材料抗外力损伤性能,指导碳纤维复合材料车身结构设计。进行碳纤维复合材料性能试验和三点弯曲试验,获得材料力学性能参数。建立基于Tiebreak算法的碳纤维复合材料层合板三点弯曲有限元模型,与试验对比验证模型的有效性。研究单元划分方式和Tiebreak接触层设置方式对仿真结果的影响规律,实现碳纤维复合材料分层破坏和纤维断裂的复杂失效及弯曲大变形损伤过程模拟。研究结果表明,计算精度与Tiebreak接触层设置相关,层合板弯曲变形的层间裂纹和层内裂纹扩展速度不同且相互影响。     

碳纤维缠绕储氢瓶的有限元自紧分析和爆破压力预测

根据高压储氢瓶的金属内胆和外部碳纤维缠绕层的结构特点进行各向同性金属和各向异性复合材料叠层的有限元建模。考虑自紧作用与气瓶的实际工况,对气瓶在不同内压下应力和变形的弹塑性响应进行了分析。参考DOT CFFC标准对气瓶进行了自紧设计和弹塑性加卸压模拟分析。基于渐进破坏理论,用Tsai-Wu失效准则判断复合材料失效模式,并据此修改单元刚度;利用单元生死技术,依据失效单元数目的急剧增大来预测气瓶的爆破压力,与文献试验结果相比误差很小,验证了该方法的可靠性。     

3D Progressive Damage Based Macro-Mechanical FE Simulation of Machining Unidirectional FRP Composite

Finite element(FE) simulation is a powerful tool for investigating the mechanism of machining fiber?reinforced polymer composite(FRP). However in existing FE machining simulation works,the two?dimensional(2 D) progressive damage models only describe material behavior in plane stress,while the three?dimensional(3 D) damage models always assume an instantaneous sti ness reduction pattern. So the chip formation mechanism of FRP under machin?ing is not fully analyzed in general stress state. A 3 D macro?mechanical based FE simulation model was developed for the machining of unidirectional glass fiber reinforced plastic. An energy based 3 D progressive damage model was proposed for damage evolution and continuous sti ness degradation. The damage model was implemented for the Hashin?type criterion and Maximum stress criterion. The influences of the failure criterion and fracture energy dissipa?tion on the simulation results were studied. The simulated chip shapes,cutting forces and sub?surface damages were verified by those obtained in the reference experiment. The simulation results also show consistency with previous 2 D FE models in the reference. The proposed research provides a model for simulating FRP material behavior and the machining process in 3 D stress state.     

Elasto-plastic damage model considering cohesive matrix interface layers for composite laminates

A three-dimensional (3D) Finite element (FE)-based progressive damage model, which considers the interface matrix layer between two neighboring laminae as a layer of cohesive elements, is proposed to analyze laminated composite plates. An elasto-plastic damage model is integrated with the FE-based program ABAQUS that uses user-defined material subroutine. The present damage model includes fiber failure, matrix failure, and delamination effects. A cohesive zone model, which is available in ABAQUS and uses cohesive elements, is combined with the proposed model to address the delamination damage in the interface layers. 3D solid brick elements are used to model composite layers, and cohesive zone elements are used in between two composite layers to model the adhesive layers. The proposed model has been applied for the progressive damage simulation of AS4/PEEK composite laminates under in-plane and uniaxial tensile loading.     

累积损伤方法在复合材料接头研究中的应用

累积损伤方法已被广泛应用于复合材料的各种结构损伤分析及强度预测中。对累积损伤方法在纤维增强复合材料机械连接接头性能研究中的应用进行了分析论述,主要包含应力分析中的有限元建模、失效判定准则及损伤过程中材料性能退化三大部分。并对该分析方法在今后研究的动向进行了展望。     

车体结构中圆管撞击吸能特性的有限元研究

运用非线性有限元理论建立了有限元分析模型,讨论了建模过程中的关键问题。结合复合材料的破坏理论研究了金属管、复合材料管(玻璃/环氧)、复合管(缠有玻璃增强环氧的金属圆柱管)在轴向撞击载荷下的能量吸收特性。并从金属材料和复合材料的破坏机理中分析了这3种圆柱管的吸能特性。仿真结果与实验结果基本一致,说明了该模型的正确性。本文的结果对车体结构中的碰撞吸能元件的设计提供了有价值的参考。     

基于三相微观结构的纤维复合材料切削仿真研究

为了研究纤维增强复合材料在切削过程中的材料去除机理及切削性能,本文建立了基于三相微观结构的纤维增强复合材料的二维有限元切削模型。针对纤维、基体和界面相组成三相微观结构,分别建立了它们的本构模型和失效准则,并完成复合材料二维正交切削的动态物理仿真。通过切削力仿真值与实验值的比较,验证了该模型的准确性和有效性。并基于此模型,分析材料的切屑形成机理、切削损伤及加工参数对切削力的影响。结果表明,纤维增强复合材料的切屑形态、损伤模式和切削力具有明显的各向异性。     

Mode I failure modeling of friction stir welding joints

This paper analyzes mechanical response by finite element method up to the decohesion failure in fracture mode I for joints of friction stir welding (FSW) of an aluminum alloy. It first describes experimental investigations on specimens with FSW embedded, subjected to uniform traction and local punch tests used to characterize local elastic and plastic material parameters. The heterogeneity of the mechanical properties induced by the FSW process is taken into account for the elastic-plastic finite element simulation. The growing damage and the opening failure of the welding zone are described by the adoption of a cohesive interface model with specific mechanical properties.     

受载复合材料曲板结构的失效特征研究

为研究飞机复合材料曲板的失效过程与失效模式,对一组复合材料弯角试验件进行了准静态拉伸试验.同时基于ABAQUS软件及其USDFLD子程序,考虑复合材料的渐进损伤特征,建立了受载曲板的有限元模型,分析弯角区的应力分布特征.研究发现：数值仿真能够较准确的模拟弯角结构的受载过程,模拟结果与试验结果吻合较好;结构受载过程中,在弯角区域发生分层破坏,随着载荷的增大,分层沿着周向和径向都有扩展;随着外加载荷的增大,弯角区域的最大法向应力的位置逐渐移向加载端.