复合材料叠层圆柱曲板振动分析的半解析解

用三维弹性理论求解复合材料叠层圆柱曲板问题。在圆柱坐标系中，将三维弹性理论表述成哈密顿形式体系，得到一个变分原理，然后有限元法，给出一种半解析解，克服了过去完全的解析解及基于二维近似理论的数值解的不足。数值算例表明本文的方法是有效的。     

碳纤维复合材料层合板低速冲击损伤应力分析

目的 为掌握碳纤维复合材料板在低速冲击载荷作用下的损伤规律,延缓失效破坏,对其冲击损伤的应力状态进行研究。方法 基于ABAQUS平台,建立碳纤维复合材料层合板低速冲击有限元模型,采用Hashin失效准则和VUMAT用户子程序,对碳纤维复合材料层合板的冲击过程进行数值模拟,同时考虑层合板层内与层间失效,以此来研究低速冲击条件下复合材料的损伤机理,分析冲击损伤过程中的应力变化趋势,讨论应力的分布状态。重点研究铺层角度及铺层距离冲头远近对应力的影响。结果 不同角度铺层的应力传播轨迹均沿着纤维方向和垂直于纤维方向同时扩展,应力均先增加至极限值而后迅速下降;铺层角度越大,板料的承载能力越弱,0°铺层的极限应力为1 432 MPa,而90°铺层的极限应力降至1 206 MPa;离冲头越远的铺层应力越小,达到峰值的时间更早且率先下降,说明远离冲头的铺层更早发生失效。结论 揭示了碳纤维层合板在低速冲击载荷作用下的应力状态及其对损伤的影响规律,能够为复合材料层合板零件设计提供参考。     

有对称液层负载时各向异性板中Lamb波的传播

1　引　言　　 L amb波是固体薄板中传播的一种弹性波 ,最初有关 Lamb波的微传感的理论研究大都只局限在各向同性板材中 ,由于在各向异性压电板上可以高效激发 L amb波 ,灵敏度高 ,体积小 ,性价比高等特点 ,因而各向异性材料有更大的实用性 ,实验上已有各向异性压电板传感器的尝试 [1] ,特别是在生物传感领域 ,由于能检测到病毒等 ,因而特别具有吸引力。在理论上 S.G.Joshi[2 ] ,Chimenti[3 ] ,Vinay Day-al[4 ] 都对各向异性板中的 L amb波进行了理论推导和数值计算 ,为了对各向异性材料微传感性的机理有进一步深入了解 ,本文研究若干…     

复合材料层合板力学性质分析及角铺设层优化设计

基于Kirchhoff经典理论,用样条有限元法以三次B样条函数构成的样条基对反对称多层角铺设层合板的三个独立位移进行插值,推导了复合材料层合板刚度阵,质量阵列式,阻尼阵列式,并由Lagrange方程导出了层合板的动力学方程,通过瑞利一李兹法建立了特征方程。分析了层合板的固有频率及不同层数和不同约束条件下的基频变化等力学特性,在Kirchhoff假设的基础上,对层合板的非线性弯曲的力学特性进行了探讨。基于样条有限元法和遗传算法进行复合材料层合板的角铺设层的优化设计,数值算列验证了算法的有效性。     

复合材料加筋板低速冲击损伤的数值模拟

建立了复合材料加筋板在横向低速冲击载荷作用下的渐进损伤有限元模型.该模型考虑了复合材料加筋板受低速冲击时的纤维断裂、基体开裂及分层脱粘等五种典型的损伤形式,在层内采用应变描述的失效判据,结合相应的材料性能退化方案,通过编写VUMAT用户自定义子程序以实现相应损伤类型的判断和演化.在层间以及筋条与层板间加入界面元,模拟层间区域的情况,结合传统的应力失效判据和断裂力学中的能量释放率准则来判断分层损伤的起始和演化规律.通过对数值模拟结果与实验数据的比较,验证了模型的合理性和有效性.同时探讨了不同位置、不同冲击能量以及含初始损伤(脱粘)等因素对复合材料加筋板低速冲击性能的影响.     

复合材料加筋板低速冲击损伤的数值模拟

建立了复合材料加筋板在横向低速冲击载荷作用下的渐进损伤有限元模型。该模型考虑了复合材料加筋板受低速冲击时的纤维断裂、基体开裂及分层脱粘等五种典型的损伤形式, 在层内采用应变描述的失效判据, 结合相应的材料性能退化方案, 通过编写VUMAT用户自定义子程序以实现相应损伤类型的判断和演化。在层间以及筋条与层板间加入界面元, 模拟层间区域的情况, 结合传统的应力失效判据和断裂力学中的能量释放率准则来判断分层损伤的起始和演化规律。通过对数值模拟结果与实验数据的比较, 验证了模型的合理性和有效性。同时探讨了不同位置、不同冲击能量以及含初始损伤(脱粘)等因素对复合材料加筋板低速冲击性能的影响。     

复合材料加筋结构界面层间应力分析建模

通过采用将复合材料加筋结构在界面附近按照单层、在界面附近以外的区域处理为均质各向异性材料,建立了一种复合材料加筋结构界面层间应力分析的新模型。采用该模型大大减少了加筋结构分析时需要的单元数目,同时又能得出界面上的层间应力。算例表明这种建模方法是切实可行的。算例揭示出了界面上层间应力的分布规律,得出了一些重要结论。     

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。      

含脱层复合材料层合杆在轴向应力波作用下的动态屈曲

研究了有限长、含脱层损伤复合材料层合直杆受轴向阶跃载荷作用的弹性动力屈曲问题。将含脱层损伤复合材料层合直杆的屈曲问题归结为由轴向应力波传播导致的分叉问题，并考虑了应力波反射的影响。给出了分叉发生的临界条件。研究了脱层长度、铺层角度对动力屈曲的影响。分析结果表明脱层损伤极大的降低了复合材料直杆的极限动力承载能力。     

近距爆炸作用下叠层复合夹芯板局部层裂破坏的理论研究

运用一维波动理论研究复合夹芯板中波的传播与局部层裂破坏,考虑应力波在夹芯板各层之间的反射和透射,得到了各层介质中压力时程的理论计算公式,建立了一维平面波荷载在夹芯板中传播的理论计算方法。基于动量定律和第一强度理论,得到了夹芯板运动与破坏特征的理论计算公式。理论计算结果与试验结果的比较分析证明了理论计算方法的正确性。夹芯板对爆炸荷载防护特性的分析表明,虽然第一层钢板和夹芯层可以显著降低爆炸冲击波的峰值,但第二层钢板才是抵御爆炸冲击波的主要部位,而复合夹芯层的剥落破坏也需重点关注。     

Modelling damage evolution in composite laminates subjected to low velocity impact

In this paper, the impact damage of composite laminates in the form of intra- and inter-laminar cracking was modelled using stress-based criteria for damage initiation, and fracture mechanics techniques to capture its evolution. The nonlinear shear behaviour of the composite was described by the Soutis shear stress–strain semi-empirical formula. The finite element (FE) method was employed to simulate the behaviour of the composite under low velocity impact. Interface cohesive elements were inserted between plies with appropriate mixed-mode damage laws to model delamination. The damage model was implemented in the FE code (Abaqus/Explicit) by a user-defined material subroutine (VUMAT). Numerical results in general gave a good agreement when compared to experimentally obtained curves of impact force and absorbed energy versus time. The various damage mechanisms introduced during the impact event were observed by non-destructive technique (NDT) X-ray radiography and were successfully captured numerically by the proposed damage evolution model.     

含低速冲击损伤复合材料层合板剩余压缩强度及疲劳性能试验研究

对T300/QY8911复合材料层板进行了低速冲击、 冲击后压缩以及冲击后疲劳试验研究。通过对冲击后的层板进行目视检测和超声C扫描获得了层板受低速冲击后的若干损伤特征; 在压-压疲劳试验中, 测量了损伤的扩展情况。讨论了冲击能量与损伤面积以及冲击后剩余压缩强度的关系, 分析了含冲击损伤层合板在压缩载荷及压-压疲劳载荷下的主要破坏机制。结果表明, 低速冲击损伤对该类层板的强度和疲劳性能影响很大, 在3.75 J/mm的冲击能量下, 层板剩余压缩强度下降了65%; 在压-压疲劳载荷作用下, 其损伤扩展大致可分为两个阶段, 占整个疲劳寿命约60%的前一阶段损伤扩展较为缓慢; 而疲劳寿命的后半阶段损伤则开始加速扩展, 并导致材料破坏。     

复合材料层合板低速冲击的接触力和能量响应仿真

以连续介质损伤力学（CDM）为基础,提出了一个有效的数值分析模型来模拟碳纤维增强复合材料（CFRP）层合板低速冲击的接触力响应和能量响应。该模型考虑了不同的失效模式,引入了不可逆的损伤变量和新的刚度折减方式以考虑损伤造成的刚度变化,定义了耗散能的计算方式以考虑损伤造成的能量变化。通过在Abaqus/Explicit平台上编写VUMAT子程序具体实现模型,数值仿真与试验结果吻合较好,验证了该模型的有效性。此外,还综合考虑了Hashin准则与LaRC04准则各自的优缺点,用Hashin和LaRC04相混合得到的准则对低速冲击进行了模拟。结果表明：在冲击外载作用下当CFRP层合板中存在较多基体压缩失效时,采用混合的失效准则模拟得到的接触力响应和能量响应结果更接近试验结果,而使用纯Hashin准则得到的预测结果偏保守。     

压缩预应力对复合材料层板抗冲击损伤性能的影响

为确定压缩预应力对复合材料层板抗冲击损伤性能的影响,首先对不同压缩预应力下的碳纤维/双马树脂CCF300/5428层板进行了低速冲击和准静态压痕试验,然后通过热揭层和冲击后压缩试验分别得到了层板分层面积和剩余强度。结果表明:压缩预应力会大幅降低层板的接触刚度和弯曲刚度,从而导致相同冲击能量下层板凹坑深度和背部基体开裂长度增大;对于准静态压痕过程和相同冲击能量下的冲击过程,分层起始载荷和峰值载荷均随压缩预应力的增大而减小;在相同冲击能量下,随着压缩预应力的增大,层板内部分层总面积及冲击能量吸收比不断增大,剩余压缩强度不断降低。因此,压缩预应力会降低复合材料层板的冲击损伤阻抗,对损伤容限性能不利,在对承受压缩载荷结构的试验验证过程中应考虑压缩预应力对抗冲击损伤性能的影响。      

Variational approach development in analysis of matrix cracking and induced delamination of cross-ply composite laminates subjected to in-plane shear loading

Matrix microcracking and induced delamination propagating from the edge of microcracks in cross-ply composite laminates with [0_n/90_m]_s and [90_m/0_n]_s layups under in-plane static shear loading are investigated. An admissible stress field, which satisfies all of equilibrium equations, boundary conditions, and continuity of interfaces, is approximated. Then using the principle of the minimum complementary energy, the stress state is obtained from calculations of variation. The calculated stress state gives the stiffness reduction and the total strain energy of the laminated composite structure. Finally, the strain energy release rate of a general cross-ply laminate due to initiation and propagation of matrix cracking and induced delamination can be deduced. Results of the developed approach are in good agreement with experimental observations and finite element analyses, which confirms its accuracy.     

Effect of impact damages on the compressive strength of composite laminates

Abstract

By simplifying the impact damages as a single delamination near the surface with an elliptical boundary, the approximate solution of total strain energy release rates can be derived as a function of delamination major axis, minor axis, external compressive strain, Possion's ratio of parent medium, extensional and bending stiffnesses of sublaminate. A linear relation of residual strength versus strain energy release rate can be constructed by correlating the approximate solution with test data of compressive residual strain (strength) after impact (CSAI), indicating that the dimension between the delamination major and minor axis should be dependent. In addition, the delamination aspect ratio is found to be not only a function of the specimen geometry and the extensional stiffness, but also a function of laminate thickness. The approximate solution provides a method for predicting the post impacted strength of composite laminate for only either thick laminate or thin laminate with low impact energy.     

炭纤维增强树脂基复合材料层合板低速冲击性能实验研究

对 3种炭纤维增强树脂基复合材料( T300/ N Y9200Z、T300/ Q Y8911和 T700S/ 5228)层合板进行了落锤冲击实验 , 并对冲击后试样进行了冲击后压缩性能测试。通过对凹坑深度2单位厚度冲击能量( d 2e)曲线 , 损伤面积2凹坑深度( S2d)曲线和冲击后压缩破坏应变2凹坑深度(ε 2d)曲线的对比分析 , 讨论了这 3 种复合材料层合板的低速冲击性能(即损伤阻抗和损伤容限) 。利用热揭层技术对拐点前后的复合材料损伤状态进行了观察 , 对损伤机制进行了讨论。实验结果表明 , 在 3种材料的 d 2e曲线 , S2d曲线和ε 2d曲线上均存在对应的拐点 , 该拐点同时也是不同损伤形式的转变点。凹坑深度在小于拐点时 , 损伤形式以基体裂纹和分层损伤为主 , 凹坑深度大于拐点时 , 分层损伤基本不再扩展 , 损伤的发展主要以纤维断裂的扩展为主。     

The finite element analysis of composite laminates and shell structures subjected to low velocity impact

In this investigation, the composite laminate and shell structures subjected to low velocity impact are studied by the ANSYS/LS-DYNA finite element software. The contact force is calculated by the modified Hertz contact law in conjunction with the loading and unloading processes. In the case of composite laminate, the impact-induced damage including matrix cracking and delamination are predicted by the appropriated failure criteria and the damaged area are plotted. Two types of shell structure, cylindrical and spherical shells, are considered in this paper. The effects of various parameters, such as shell curvature, clamped or simple supported boundary conditions and impactor velocity are examined through the parametric study. Numerical results show that structures with greater stiffness, such as smaller curvature and clamped boundary condition, result to a larger contact force and a smaller deflection. The impact response of the structure is proportional to the impactor velocity.     

缝合复合材料层板低速冲击及冲击后压缩实验研究

通过对缝合复合材料层板进行低速冲击和冲击后压缩实验, 研究了不同类型的缝合复合材料层板的冲击损伤特性及冲击后压缩的剩余强度。实验研究表明: 基体损伤和分层是缝合层板与未缝合层板低速冲击的主要损伤模式, 缝合层板具有更好的抗冲击性能, 更高的冲击后压缩强度。缝合密度越大的层板其抗冲击性能越好, 冲击后压缩强度越高。缝合方向为0°的缝合层板较缝合方向为90°的缝合层板具有更好的抗冲击性能和更高的冲击后压缩强度。增加0°方向铺层, 减少45°、-45°方向铺层, 可以提高缝合层板的抗冲击性能和冲击后压缩强度。     

准静态压痕力作用下复合材料层压板的损伤阻抗分析

建立了一种复合材料层压板在准静态压痕力作用下的损伤阻抗的预测方法。首先分别针对基体破坏、分层、 纤维断裂等失效模式引入相应的失效变量 , 并建立不同失效模式下的刚度折减方法 , 然后采用基于应变描述的 Hashin和 Yeh失效准则并结合有限元方法 , 对复合材料层压板在准静态压痕力作用下的破坏过程进行渐进损伤分析 , 在此基础上进一步预测了层压板的损伤阻抗。采用商用有限元软件 ABAQUS/ Standard 的 UMAT用户子程序实现数值模拟。计算结果表明 , 分层起始与扩展是导致载荷2位移曲线发生第 1 次卸载的主要原因 , 当接触力达到其最大值时出现较明显的纤维断裂。分层起始载荷和最大接触力的预测结果与实验数据吻合良好。