复合材料层合板贴补修理失效模式分析与修理参数选择

在对复合材料层合板进行渐进失效分析时,Zinoviev刚度退化模型是最常用的刚度退化模型之一,但是该模型涉及的参数较多并且只能用于二维问题,对其进行简化和改进后,不仅参数减少而且可以扩展至三维,基于此改进的Zinoviev刚度退化模型,结合Shokrieh改进的三维Hashin准则,采用INTER205单元对胶层进行模拟,利用ANSYS软件建立了承受面内拉伸荷载的含圆孔缺陷的复合材料层合板双边贴补修理渐进失效三维有限元模型。此有限元模型的结果和试验结果拟合得比较好,验证了改进的Zinoviev退化模型和有限元模型的有效性。利用此有限元模型分析了承受面内拉伸荷载的双边贴补修理复合材料层合板的失效模式,发现主要破坏模式为胶层的脱胶加速了母板中的纤维失效,导致结构最终失效。最后分析了主要修理参数对修理效果的影响,结果表明:增大补片尺寸可以明显提高修补结构的强度;当补片刚度与母板刚度相同时,修补效果较好;当补片厚度为母板厚度一半时,修补效果最好。     

薄层合板单面贴补修理拉伸性能研究

贴补修理是工艺简单、应用较广的复合材料结构修补技术。对含有孔穿透损伤的复合材料层合板单面贴补修理试验件进行拉伸试验,保持补片的铺层顺序、厚度不变,改变补片的直径,考察补片直径对单面贴补修理效果的影响,并根据试验过程中采集的试验件相应位置的应变数据以及载荷位移曲线分析其失效机理。结果表明,单面贴补修理试验件的强度恢复率约为34%～50%,且贴补修理对于含穿透孔损伤层合板的刚度具有一定的恢复作用,而且随着补片直径的增大,强度恢复率增高。当补片直径较小时,胶层先于母板发生破坏,此时的修理效果不明显;当补片直径增大到一定程度后,胶层承载能力较高,此时贴补修理对损伤件的拉伸强度有一定的提高作用。在试验基础上建立了有限元模型,能有效预测贴补修理件的破坏模式、拉伸强度,并可分析得到试验件的应力分布;改变有限元模型参数,研究最佳效果的补片尺寸与损伤孔径之间的关系。结果表明,当补片直径比损伤孔径大30 mm～40 mm时可获得较高的修理效率。为复合材料层合板设计贴补修理方案提供了参考。     

开孔CFRP复合材料层合板的损伤解析和实验探究

采用解析计算和拉伸试验相结合的方法,对开孔CFRP复合材料板的孔边应力和损伤进行了研究。基于复变函数方法并结合Tsai-Hill失效准则,计算得到了层合板各单层的主应力分布和首次损伤载荷系数。为了测定层合板面内拉伸性能并对解析结果进行验证,基于ASTM D5766-07试验标准对CFRP层合板进行了拉伸试验。研究结果表明:当开孔CFRP层合板承受沿长轴方向拉伸载荷时,0°和±45°铺层为主承力层,且主应力σ1最大值出现在与孔中心成65°～115°和245°～295°范围内;各层最小首次损伤载荷系数出现在65°～115°范围内,其中,45°层和-45°层的损伤载荷系数最小;当载荷达到初始损伤载荷时,层合板开始出现内部损伤和参数退化;拉伸试验后CFRP复合材料板试件损伤的形式主要为基体开裂和纤维断裂,损伤的区域在孔周边61°～90°和241°～270°范围内,试验结果与解析计算结果基本一致。     

CFRP与铝板胶螺混合连接结构拉伸性能研究

基于三维渐进损伤理论,建立了复合材料层合板-铝板双搭接胶接连接、螺栓连接、胶螺混合连接结构拉伸强度预测模型,数值仿真结果与试验高度吻合,验证了所建模型的可行性。在此基础上,探究了搭接宽度、搭接长度、胶层厚度、接触面摩擦系数和螺栓个数等参数对胶螺混合连接结构拉伸性能的影响。结果表明:随着搭接宽度和搭接长度的增加,接头失效载荷先逐渐增加后趋于稳定,最优搭接宽度和搭接长度为30 mm和35 mm;胶层厚度对混合连接结构的拉伸失效载荷基本没有影响;胶螺混合连接结构中螺栓接头和层合板之间、螺栓与孔之间的摩擦系数越大,连接结构的拉伸失效载荷越大;在搭接区域相同的情况下,双钉混合连接结构的拉伸失效载荷比单钉的拉伸失效载荷提高了69%。     

铺层顺序及补片偏转对挖补修理层合板低速冲击性能的影响

根据试验研究的结果建立了挖补修理后碳纤维复合材料层合板低速冲击性能分析有限元模型,并对低速冲击响应及挖补板的冲击损伤进行了分析,理论计算与试验结果吻合良好。在此基础上,就母板与补片铺层顺序以及补片偏转对挖补板低速冲击性能的影响进行了研究,结果表明:补片铺层顺序的改变对冲击载荷响应的影响很小,但对表面及内部分层损伤面积和形状的影响却较大;补片偏转5°时,最大冲击载荷提前出现并且显著降低,分层损伤面积变化不大,分层损伤区域长轴方向向着补片偏转方向偏转。     

基于ANSYS的复合材料层合板的拉伸失效模拟

基于ANSYS的APDL语言开发复合材料层合板的拉伸失效模块,实现有限元分析的参数化建模和累积失效分析.采用Solid64宴体单元建立复合材料层合板的三维模型,依据改进的三维Haisin失效准则对结构单元进行失效判断,并对失效单元进行刚度退化.当失效单元贯穿所有单层时,复合材料层合板结构彻底失效.通过对铺层方式为[0/45/-45/90]s复合材料层合板结构拉伸模拟,探讨其拉伸破坏形式,得到层合结构的最终拉伸强度,并把其拉伸强度与文献实验结果进行对比,得到的结果与实验一致.该方法简便直观,便于工程运用.     

基于MSC软件对含损伤的复合材料性能评估与修补研究

基于MSC软件建立了完好、损伤以及修补三种类型复合材料层合板的有限元模型,预估三种类型层合板的强度,通过分析不同修补角度下层合板的强度值,得到较合理的修补角度参数。通过拉伸试验分别确定完好、损伤和修补的层合板试验件强度并与仿真分析结果比较。结果表明,数值模拟强度值与实验值吻合度较好,建立的仿真模型有效地预测了不同修补角度层合板的剩余强度。     

铺层方向角偏差对复合材料层板阶梯挖补的拉伸强度影响研究

针对复合材料损伤结构维修中容易出现的铺层角度偏差,根据实际维修情况建立复合材料层板阶梯挖补结构的有限元计算模型,并通过试验验证了该模型的准确性。基于该有限元分析模型并考虑真实维修过程中可能出现的铺叠误差与基准偏差,分别进行了维修结构的单层与整体铺层方向角偏移的拉伸强度性能分析。结果表明,补片出现小角度方向角偏移时,补片中面层以下的铺层角偏移对于拉伸强度的影响可以忽略,中面层以上的铺层随着偏移角度的增大与越靠近表层的位置,结构整体极限应力逐渐增大,当最表层铺层出现偏移时,对于修补结构拉伸强度的影响较大;附加层在修补结构中受载严重,通用的0°附加层铺设角度不一定适用于所有的修补工况,该分析结论也为实际工程维修提供了很好的指导意义。     

CFRP层合板冲击后压缩失效分析数值模拟

复合材料层合板的损伤容限是复合材料结构设计的关键因素。针对碳纤维增强复合材料(CFRP)层合板低速冲击损伤和压缩破坏问题,本文基于连续损伤力学和粘结单元模型,在ABAQUS中对两种不同冲击能量下的层合板进行了低速冲击和冲击后压缩仿真分析,并对层内和层间损伤进行了研究,分析了层合板的冲击损伤与压缩失效行为,通过与试验结果进行对比,验证了该模型的有效性。研究结果表明:冲击损伤对层合板的剩余压缩强度有着重要影响,试件的破坏开始于冲击损伤区域,并逐渐扩展到层合板的边缘,压缩力快速下降,层合板最终失效。     

干燥温度对CFRP力学性能的影响及作用机理

采用2种环境温度(70、85℃)对碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层合板进行干燥处理,并对CFRP层合板分别进行拉伸、压缩和剪切实验,研究了中温干燥条件对CFRP层合板力学性能的影响,通过扫描电子显微镜和红外光谱,分析了中温干燥环境对CFRP层板的影响机理;通过最小二乘法拟合方法,提出了干燥环境下CFRP层合板力学性能的预测公式。研究结果表明:与未经干燥的试样相比,经中温干燥环境处理的CFRP层板的90°拉伸强度增加24. 99%,±45°剪切强度下降12. 92%;中温干燥环境对CFRP层合板力学性能的影响是由后固化作用和复合材料内部的热应力共同决定的,在中温干燥环境下,CFRP层合板未发生化学结构变化,CFRP层合板中的环氧基发生了进一步交联,环氧基树脂被后固化增强;拟合建立的不同干燥条件下的力学性能预测公式与实验结果基本一致。     

复合材料加筋层合板阶梯式挖补修理的稳定性分析研究

基于有限元方法,研究了复合材料加筋层合板阶梯式挖补修理的稳定性问题。利用商用有限元分析软件MSC.Patran/Nastran,建立了复合材料层合板阶梯式挖补修理结构稳定性三维有限元分析模型。并通过所得屈曲特征值计算出修补结构临界失稳载荷,拟合出临界失稳载荷图,分析得出不同筋距、加筋数、挖补阶数和胶层厚度对复合材料层合板阶梯式挖补修理结构稳定性的影响规律。     

复合材料阶梯挖补修理中附加铺层的优化设计

基于有限元软件ANSYS,建立了三维复合材料层合板阶梯形挖补修理的有限元模型,分析了附加铺层大小、附加铺层厚度和附加铺层方向等修理参数对复合材料结构挖补修理强度的影响规律。这些影响规律对复合材料结构阶梯挖补修理方案设计具有指导意义。     

基于Zinoviev理论的含孔复合材料层合板三维有限元渐进失效分析

建立了含孔复合材料层合板的三维有限元模型,以二维Zinovie理论为基础,结合改进的三维Hashin准则,对二维Zinoviev理论进行了简化和拓展,提出了适用于三维模型的刚度退化方案,完成了对层合板的渐进失效分析。从纤维失效、基体失效、分层失效三个方面讨论了层合板在拉伸载荷作用下的失效过程,并预测了层合板的拉伸极限强度及破坏模式。数值模拟结果与试验基本吻合,验证了所提出退化模型的正确性。     

胶层Ⅰ/Ⅱ型断裂破坏内聚单元参数的确定和应用

建立了铝合金板单搭接胶接接头的三维弹性有限元模型,通过与G-R解析模型的胶层剪应力和剥离应力分布对比分析,验证了有限元模型的有效性。经有限元仿真拟合铝合金板单搭接胶接接头静拉伸试验的载荷-位移曲线,获得了胶层Ⅰ/Ⅱ型混合失效模式下内聚力单元的断裂参数值和胶层渐进破坏的过程,将胶层内聚力单元断裂参数值应用于含双裂纹复合材料胶接修补结构中,预测了修补结构的静拉伸强度。结果表明,有限元模型预测的剩余强度与实验值的相对误差为3.8%,因此运用内聚力单元仿真胶层的方法是有效的,并为复合材料胶接修补结构的承载能力分析提供了有力的依据。     

含褶皱缺陷玻璃纤维增强复合材料层合板拉伸渐进失效分析

为研究褶皱缺陷对玻璃纤维增强树脂基复合材料层合板拉伸性能的影响,采用Abaqus有限元软件,结合USDFLD子程序,建立含褶皱缺陷的玻璃纤维增强复合材料层合板渐进失效分析模型。通过数值仿真分析方法对含褶皱缺陷层合板在拉伸载荷作用下的强度退化和渐进失效过程进行研究,分析褶皱高宽比对层合板拉伸性能的影响。结果表明:拉伸强度预测值以及损伤初始位置与文献中实验结果吻合较好,验证了建立的仿真分析模型;随着褶皱高宽比的增加,拉伸失效载荷和强度显著降低;在拉伸载荷作用下,在褶皱变形区域与富树脂区域相接的铺层位置存在应力集中;层合板损伤由富树脂区域逐渐向褶皱变形区域扩展,最终在褶皱变形区域完全失效;受褶皱影响,层合板在拉伸过程中发生弯曲变形,在线弹性阶段,相同载荷条件下变形随着褶皱高宽比的增加而增加。     

斜面挖补修理复合材料的有限元分析

利用有限元软件ANSYS建立了复合材料层合板斜挖补修理的三维有限元模型,分析了不同挖补角对胶层剪应力和修补结构承载能力的影响。计算结果表明,在其他参数不变的前提下,合理选择挖补角可提高复合材料修理结构的承载能力,对更有效实施复合材料结构斜挖补修理方案设计具有一定的指导意义。     

补片形状对复合材料胶接贴补修补影响的预测与试验研究

为研究复合材料胶接贴补方法的修补性能,对胶接结构开展了准静态拉伸试验,研究了室温下T9001复合材料胶接修补结构的静拉伸载荷-位移行为。以三维逐渐损伤理论为基础,创建了复合材料胶接修补模型,利用APDL语言实现对不同补片形状的胶接修补结构在静拉伸载荷作用下的最终失效载荷的预测分析。同时,进行相关试验,测得的胶接修补结构的失效载荷与预测结果吻合较好。结果表明,正放的方形补片的修补效果最佳。最后利用X光机对胶接修补结构的最终损伤模式及损伤范围进行了检测,试验结果与计算预测结果较吻合。     

复合材料加筋层合板准静态压痕实验研究及数值分析

利用ABAQUS有限元程序所建立了一种基于用户子程序USDFLD和Hashin强度准则的复合材料损伤计算模型,用该模型对复合材料加筋层合板在静压痕力作用下主要发生的纤维拉伸破坏、纤维微屈破坏、基体拉伸破坏、基体压缩破坏、层间拉伸破坏、层间压缩破坏这几种基本损伤模式进行分析。对复合材料加筋层合板在静压痕力作用下进行损伤全过程数值研究,利用该有限元模型预测复合材料层合板静压痕力作用下的荷载-位移曲线以及凹坑深度与静压痕力的关系曲线。数值仿真与实验结果吻合较好,表明该损伤模型方法的可行性。复合材料层合板加筋后拐点处的凹坑深度明显加大,达到0.84mm。通过对加筋板的刚度和强度失效规律的分析,为进一步的复合材料格栅加筋结构(如飞机结构中复合材料后压力框)的性能分析提供参考。     

复合材料补片尺寸和形状对铝板修补结构lamb波传播影响

借助于ANSYS软件建立包含铝板、复合材料层合板补片、胶层和压电陶瓷片(PZT)的压电和逆压电效应的模型,实现在结构中激励和接收lamb波信号,并以试验验证模型的正确性。利用损伤对结构中lamb波传播特性的影响,对复合材料补片修补后的金属损伤结构的损伤检测进行数值模拟研究,研究不同补片尺寸及形状修补8 mm孔对lamb波损伤检测的影响。结果表明,圆形、方形、菱形补片的仿真模拟结果显示不同的形状对A0和S0波包的影响差异较大,不同尺寸的菱形补片也对A0和S0波包有较大差异。     

冲击位置对挖补修理层合板冲击后压缩性能的影响

使用过程中的低速冲击损伤对修理后的复合材料结构同样会造成威胁.设计并进行了复合材料挖补修理结构的低速冲击及冲击后压缩试验,测量了试验件的损伤投影面积和剩余压缩强度,分析了不同冲击位置的影响.结果表明,挖补修理层合板冲击后压缩强度比未修补板的低,挖补层合板对低速冲击位置较为敏感.冲击点离开挖补区一定距离后,挖补对层合板的低速冲击及其继后压缩性能的影响消失.