含面芯界面缺陷的蜂窝夹芯板侧向压缩破坏模式

为了对含面芯层间脱胶缺陷的蜂窝夹芯板在侧向压缩载荷作用下的典型破坏模式进行数值预报, 建立了基于蔡-希尔破坏准则和粘结模型的计算模型。该计算模型是建立在对蜂窝夹芯板的双悬臂梁(DCB)和单臂梁(SLB) 试验中所发现的一种新的破坏模式的分析基础之上的。对蜂窝夹芯板的侧向压缩破坏行为的数值预报中, 发现一种新的破坏模式: 位于脱胶区域的面板首先发生局部屈曲失稳, 随后面板内部靠近芯子的45°/0°层间出现分层, 与此同时最靠近芯子的45°铺层发生断裂, 伴随着45°/0°层间分层的扩展, 面板发展成为对称性整体屈曲失稳。与侧向压缩试验测试结果对比发现, 计算模型模拟中所预报的破坏模式在实验测试中也得到了很好的验证。      

钻孔分层损伤对复合材料层合孔板压缩力学行为的影响

钻孔分层损伤对复合材料层合孔板的承载能力和失效模式有着显著的影响。通过实验和仿真相结合的方式,开展单一预制分层缺陷下、双分层缺陷同侧耦合及双分层缺陷异侧耦合作用下复合材料层合孔板的压缩承载能力及失效模式的研究。通过预埋聚四氟乙烯薄膜,制备了含单一圆形预制分层缺陷的碳纤维增强树脂复合材料开孔板试件,采用浸没式超声C扫和数字图像DIC技术分别对复合材料层合板损伤和法向变形进行检测,研究含不同尺寸预制分层开孔层合板在压缩载荷下的分层扩展及失效变形特征,进而揭示分层缺陷大小对其承载能力的影响机制。构建基于内聚力单元方法的含孔复合材料层合板数值模型,对比实验修正模型,探索了单一预制分层缺陷下碳纤维增强树脂复合材料开孔板的损伤扩展机制,并在此模型基础上开展双分层缺陷耦合作用下复合材料开孔板在压缩载荷作用下的屈曲变形、分层扩展和承载能力的数值预测和分析。实验结果表明：含单一圆形预制分层缺陷的碳纤维增强环氧树脂复合材料开孔层合板试件呈现出初始受压、局部屈曲、整体屈曲后破坏的失效模式,预制分层缺陷对复合材料孔板压缩力学性能有显著影响,随着缺陷的增大压缩承载能力逐渐下降。双分层缺陷耦合作用数值分析表明：双...     

含矩形边缘分层缺陷层合板的压缩性能

对含矩形边缘分层缺陷层合板的压缩性能进行试验研究和理论分析, 考察了层合板厚度(含铺层形式)、 分层位置、 形状、 面积以及环境等因素对压缩强度的影响, 并采用分层扩展以及软化夹杂两种模型对含分层层合板的压缩强度进行了计算和破坏机理分析。结果表明: 厚板对边缘分层缺陷不敏感, 中等厚度和薄层合板比较敏感; 缺陷的位置和形状对层合板压缩强度有一定的影响; 湿热环境改变了含缺陷板的压缩破坏机理, 并对中等厚度板和薄板的压缩强度有明显的影响。两种模型中软化夹杂模型效果较好, 可用于工程设计计算。      

低速冲击后复合材料层合板的压缩破坏行为

对缝纫层合板和无缝纫层合板进行低速冲击后压缩破坏实验,以研究低速冲击后层合板的压缩破坏机理。采用C扫描、X射线、热揭层等技术对层合板内的损伤进行测量和对比。结果表明,界面不是很强的碳纤维增强复合材料层合板低速冲击后受压时,层合板非冲击面的子层屈曲及其扩展是导致层合板冲击后压缩强度下降的重要因素,而且子层屈曲主要是沿垂直载荷的方向(90°)扩展;对于准各向同性板,屈曲子层中与母层相邻的铺层的方向一般为90°。层合板的剩余压缩强度与板的冲击损伤面积无直接关系。      

高速冲击载荷作用下钎焊蜂窝夹层板动态响应

目的 以钎焊高温合金蜂窝夹层板为研究对象,分析其在弹丸高速冲击作用下的力学性能。方法 采用轻气炮冲击加载试验结合有限元模拟,对蜂窝夹层板开展不同冲击强度下的动态响应和失效研究。开展含高速冲击损伤的蜂窝夹层板侧压试验,研究损伤模式对剩余强度的影响。结果 冲击强度对夹层板的失效过程和失效模式有着明显的影响,当冲击条件不足以使得迎弹面发生侵彻时,夹层板失效为表面压痕损伤;随着冲击强度的提高,出现不同程度的局部芯层压缩;当冲击强度大于临界值时,迎/背弹面陆续被侵彻,夹层板出现侵入损伤及贯穿损伤。结论 高速冲击损伤使得蜂窝夹层板的侧压失效模式,由理想塑性屈曲转变为局部失稳,侧压极限载荷大幅降低。     

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。     

复合材料加筋板后屈曲特性研究

通过对复合材料加筋板进行轴向压缩实验和非线性有限元模拟,研究了其后屈曲阶段的损伤和破坏行为.加筋板在实验中被压缩至完全破坏,压溃的加筋板表现出复杂的后屈曲损伤,包括筋条脱粘、纤维断裂、分层、基体开裂等损伤模式.有限元模型中引入了Hashin准则和基于二次应力的胶层失效准则,失稳及破坏载荷的预测结果和实验值吻合较好.分析...     

基于多尺度方法的蜂窝夹层复合材料结构轴向压缩稳定性

为有效预测蜂窝夹层复合材料结构压缩失稳载荷和破坏模式,本文基于层压板宏细观多尺度数值分析模型,研究蜂窝夹层复合材料结构在轴向压缩载荷下的屈曲稳定性。基于改进的通用单胞理论模型,并结合ABAQUS用户自定义子程序接口,建立蜂窝夹层复合材料结构宏细观数值模型,预报蜂窝夹层复合材料结构失效载荷和破坏模式,并与试验结果对照,验证了模型的有效性。结果表明:通过本文建立的数值模型可以有效预测蜂窝夹层复合材料结构在压缩载荷下的失稳载荷和破坏模式,其一阶失稳载荷为128.12 kN,与试验结果误差为4.58%,蜂窝夹层复合材料结构破坏模式为先发生屈曲失稳,然后迅速破坏。      

脱胶缺陷尺寸对复合材料加筋板屈曲及后屈曲特性的影响

为确定脱胶缺陷对复合材料加筋板屈曲及后屈曲特性的影响,对含不同脱胶缺陷工型筋条的复合材料加筋板进行了压缩试验研究。结果表明,30 mm和50 mm的缺陷对试验件承载能力影响很小,当缺陷尺寸增至80 mm时,试验件后屈曲承载能力明显下降。借助超声检测技术对缺陷的扩展行为进行了监测,结果表明,当压缩载荷达到破坏载荷的85.3%时,预制缺陷的对角位置处出现扩展迹象。通过影像云纹法获得两半波和三半波失稳模态的形成过程。对失稳模态的监测结果还表明,随缺陷长度增加,该型加筋板的失稳模态从三半波向两半波转换。在试验基础上,利用ABAQUS软件建立有限元（FE）模型,依次进行了屈曲及后屈曲过程的数值模拟。屈曲分析用于获得试验件的失稳载荷及模态,在后屈曲分析中将失稳波形以几何扰动的形式引入FE模型,最终计算结果与试验结果基本吻合,表明该模型可以用于复合材料加筋板屈曲及后屈曲性能的预测。     

湿热环境对航空复合材料加筋板压缩屈曲和后屈曲性能的影响

使航空复合材料加筋板在湿热环境中(70°C、水浴)达到吸湿饱和状态,对普通加筋板(A型)和吸湿饱和加筋板(B型)进行压缩实验。两类加筋板的破坏形貌相似,主要是筋条的断裂、脱粘和壁板的分层、撕裂,但破坏位置显著不同,A型加筋板的破坏位置均在加筋板中部附近,而B型分别在靠近两端的部位破坏,表明B型加筋板的破坏位置具有不确定性。两类加筋板的屈曲形式均为筋条间壁板的屈曲和中间2根筋条的屈曲,但两类加筋板相同位置的失稳壁板的弯曲方向相反,说明湿热环境对失稳壁板的弯曲方向影响较大。B型加筋板在压缩载荷下仍存在后屈曲过程,湿热环境对加筋板的屈曲载荷影响较小,对破坏载荷影响较大,较A型加筋板相比两者分别下降了3.1%和22.2%。     

湿热环境对损伤分层复合材料夹层板屈曲性能的影响

建立了一个分析含面板内分层损伤的复合材料夹层板屈曲性能的二维弹性基础模型, 采用Rayleigh-Ritz 法研究了任意的湿热环境对分层的复合材料夹层板屈曲性能的影响。考虑了材料依赖于温度变化的弹性及热、湿性质。     

Local buckling of stitched composite laminate

Due to relatively low interlaminar strength, delamination is a common failure mode of composite laminates. Through-thickness stitching is shown to improve the delamination resistance of laminated composites. Under in-plane compressive loading, significant strength reduction occurs due to coupling between delamination and delamination buckling. In this paper, an energy-based model was developed to predict the effect of critical stitching parameters on the delamination buckling strength of stitched laminates. Excellent agreement was found between the model results and a corresponding finite element analysis.     

Compressive and shear buckling analysis of metal matrix composite sandwich panels under different thermal environments

Combined inplane compressive and shear buckling analysis was conducted on flat rectangular sandwich panels using the Rayleigh-Ritz minium energy method with a consideration of transverse shear effect of the sandwich core. The sandwich panels were fabricated with titanium honeycomb core and laminated metal matrix composite face sheets. The results show that slightly slender (along the unidirectional compressive loading axis) rectangular sandwich panels have the most desirable stiffness-to-weight ratios for aerospace structural applications; the degradation of buckling strength sandwich panels with rising temperature is faster in shear than in compression; and the fiber orientation of the face sheets for optimum combined-load buckling strength of sandwich panels is a strong function of both loading condition and panel aspect ratio. Under the same specific weight and panel aspect ratio, a sandwich panel with metal matrix composite face sheets has a much higher buckling strength than one having monolithic face sheets.     

含界面脱粘及表板基体开裂损伤的复合材料夹层板非线性稳定性的研究

本文作者基于"zig-zag"模型和Mindlin一阶剪切变形板理论,推导了复合材料夹层板屈曲分析的有限元列式,在该列式中考虑了面板的横向剪切变形和芯体的面内刚度对夹层板力学性能的影响。针对具有面板和芯体间界面脱粘和纤维增强树脂基体微裂纹损伤的夹层板损伤特征,分别提出了分层模型和多标量损伤模型,并推导了多标量形式的损伤本构关系。采用修正的 Newton-Raphson迭代格式求解含损复合材料夹层板的非线性稳定性性状。通过算例研究了脱粘面积、基体的损伤演化、表板的铺设方式及载荷形式对复合材料夹层板屈曲性态的影响。本文作者给出的有限元模型和结论,对复合材料夹层板结构设计的损伤容限的制定具有一定的参考价值。     

复合材料双向波纹夹层结构力学性能

为改进传统单向波纹夹层结构横向力学性能较差的缺点,设计了一种新型复合材料双向波纹夹层结构。考虑复合材料双向夹层结构制备困难,研究了整套真空辅助成型工艺(VARI)工艺制备方案,实现双向波纹夹层结构的高效制备,以满足工程应用的需要。对制备出的复合材料双向波纹夹层结构与单向波纹夹层结构分别进行面外压缩、弯曲和剪切实验,分析了双向波纹夹层结构在不同载荷下的破坏模式及其失效机制,计算了该结构在不同荷载条件下的强度和模量,并将其与单向波纹夹层结构进行对比分析。结果表明,在压缩荷载作用下,玻璃纤维/环氧树脂芯子为主要承载部分,结构的失效主要体现在芯子的屈曲、断裂和分层;在弯曲荷载的作用下,由于纤维的抗压强度远小于抗拉强度,所以压头下方的上面板最先达到破坏荷载,结构的弯曲失效形式主要为上面板的断裂和脱粘;结构的剪切失效主要以泡沫与面板的脱粘和压溃为主,芯子和面板未见明显的破坏现象;与单向波纹夹层结构相比,双向波纹夹层结构力学性能显著提升。      

等腰梯形蜂窝芯玻璃钢夹芯板的面内压缩性能

为研究等腰梯形蜂窝芯玻璃钢夹芯板面内压缩破坏机制, 利用材料试验机对夹芯板面内压缩性能进行了试验测试, 并开展了模拟研究。结果表明: 夹芯板的面内压缩破坏方式主要有面板折断、夹芯板屈曲失稳和夹芯板中面板与蜂窝芯脱粘3种类型。面板为夹芯板面内压缩的主要承载构件, 蜂窝芯对面板起到固支作用。面板结构参数与材料参数为影响夹芯板面内压缩抗压强度与抗压刚度主要因素, 多数蜂窝芯的结构参数与材料参数对夹芯板面内压缩抗压强度的影响微弱, 而个别蜂窝芯的结构参数对夹芯板面内压缩抗压刚度的影响比较显著。夹芯板体积一定时, 随着蜂窝芯胞体单元数量的增加, 夹芯板面内压缩的抗压强度与抗压刚度逐渐增大。      

On the Through-the-Width Multiple Delamination, and Buckling and Postbuckling Behaviors of Symmetric and Unsymmetric Composite Laminates

Multiple delamination causes severe degradation of the stiffness and strength of composites. Interactions between multiple delamination, and buckling and postbuckling under compressive loads add the complexity of mechanical properties of composites. In this paper, the buckling, postbuckling and through-the-width multiple delamination of symmetric and unsymmetric composite laminates are studied using 3D FEA, and the virtual crack closure technique with two delamination failure criteria: B-K law and power law is used to predict the delamination growth and to calculate the mixed-mode energy release rate. The compressive load-strain curves, load-central deflection curves and multiple delamination process for eight composite specimens with different initial delamination sizes and their distributions as well as two angle-ply configurations 0₄//(±θ)₆//0₄ (θ?=?0° and 45°, and “//” denotes the delaminated interface) are comparatively studied. From numerical results, the unsymmetry decreases the local buckling load and initial delamination load, but does not affect the global buckling load compared with the symmetric laminates. Besides, the unsymmetry affects the unstable delamination and buckling behaviors of composite laminates largely when the initial multiple delamination sizes are relatively small.     

纸瓦楞夹层板的压缩变形与塑性吸能特性研究

目的研究在不同压缩速率下纸瓦楞夹层板的压缩变形与塑性吸能特性。方法利用Hoff夹层板、正交各向异性弹性薄板理论和工程梁理论,研究瓦楞夹层板的横向压缩位移,分析瓦楞芯层的压缩变形模式及塑性吸能特性,提出芯层结构的压溃强度模型,并通过静态压缩实验进行对比分析。结果B型、C型纸瓦楞夹层板的压溃强度理论预测值分别为0.1195,0.0612 MPa,在1,12,18,48 mm/min的压缩速率下,B型纸瓦楞夹层板的压溃强度分别为0.1011,0.1071,0.1048,0.1075 MPa,C型纸瓦楞夹层板的压溃强度分别为0.0462,0.0640,0.0475,0.0451 MPa。结论低应变率(低压缩率)条件下,纸瓦楞夹层板的横向压缩性能影响基本不变,弹性强度、屈服强度、压溃强度等基本相同。对于相同的材质,几何参数对纸瓦楞夹层板的压缩性能和塑性吸能影响较大。