复合材料层合板损伤容限敏感性参数研究

本文针对碳纤维增强复合材料层合板冲击下的损伤容限参数敏感性进行分析.对复合材料层合板损伤容限的影响参数、纤维角度、铺层顺序、层合板厚度、冲击速度和冲击角度等进行冲击损伤仿真,采用蔡-吴强度准则评价层合板冲击的剩余强度,并对各参数影响的敏感性排序,确定纤维角度和铺层顺序为复合材料层合板冲击下损伤容限的敏感参数.     

复合材料层合板冲击损伤剩余强度分析

民用飞机复合材料结构设计时必须考虑复合材料层合板的冲击损伤.通过试验测量和数值模拟两种方法分析碳纤维增强复合材料层合板低速冲击损伤后的剩余压缩强度,试验采用标准试验规范进行测量,数值模拟分析采用层内渐进损伤模型和层间Cohesive模型模拟分析层合板冲击损伤以及剩余压缩强度.数值模拟与试验结果对比表明,该数值模拟分析方...     

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.     

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。     

复合材料层合板冲击损伤等效模型研究

复合材料层合板在冲击载荷作用下极易造成分层损伤,导致结构强度大幅下降,严重削弱承载能力,因此复合材料层合板的低速冲击损伤和剩余强度评估对保证飞机复合材料结构的安全性至关重要。本文研究了两种不同的计算复合材料层合板冲击后剩余强度的工程评估方法。一种是改进的基于Whitney-Nuismer准则的层合板剩余强度评估方法,另一种是基于同心圆损伤等效的层合板剩余强度工程算法。最后通过算例验证了两种方法的准确性,并对计算结果进行讨论。     

玻璃纤维复合材料层合板冲击后的压缩强度

对不同厚度的二维编织环氧玻璃纤维层合板进行落锤冲击试验及冲击后压缩破坏试验,以研究低速冲击对复合材料层合板剩余压缩强度(CAI)的影响。用透光描影及热揭层方法对冲击损伤形式进行描述。讨论了损伤宽度、损伤面积与冲击能量及剩余压缩强度、模量间的关系,并建立有限元模型,采用开口等效及软化夹杂等分析方法对材料的冲击后压缩强度值进行估算。     

纤维环向缠绕复合材料气瓶冲击阻抗性能研究

新能源汽车用复合材料气瓶采用复合材料/金属混杂结构,其冲击损伤特性与采用纯复合材料结构有很大的不同,本文结合复合材料气瓶和试板模拟试验,采用冲击能量吸收率、分层损伤扩展阻力、剩余强度比衰减指数等参数作为其冲击阻抗性能的评价指标。采用不同的支撑夹具对玻纤/环氧单向板进行落球冲击试验,以模拟复合材料气瓶的不同材质内胆对纤维缠绕层冲击损伤的影响。研究发现,在一定冲击能量作用下,改变复合材料/金属混杂结构的形式能使其冲击能量吸收率发生变化,并可提高层合板的冲击损伤临界值,即提高其冲击承载能力;冲击能量吸收率越高分层损伤扩展阻力越小,且含冲击损伤层合板的剩余强度衰减越快。因此在设计复合材料气瓶时,需要考虑复合材料/金属混杂结构对分层损伤扩展阻力和冲击能量吸收率的影响。     

碳纤/环氧复合材料层合板低速冲击损伤机理研究

对[0/90/0/90]_(2s)和[+45/-45/0/90]_(2s)以及平纹布铺层方式的T300/环氧复合材料层合板进行低速冲击实验,在圆形试样的基础上比较不同铺层结构的复合材料在冲击性能方面的差异,从冲击能量传播的角度分析不同铺层结构复合材料的冲击破坏机理。并在ABAQUS有限元模拟的基础上分析冲击破坏的能量传播机理。结果表明冲击能量的传播与复合材料层合板中织物沿厚度方向的铺层结构有关,也与每一层织物内纤维的方向和纤维的空间结构有关。冲击能量在排列很直的纤维中传播很快,沿纤维轴向的损伤更容易传递,所以单向布铺层的复合材料与平纹布铺层的复合材料相比,冲击中心区域的损伤小,但是损伤的范围大,纤维的弯曲会降低冲击能量沿纤维轴向的传播速度,平纹织物中每一层纤维存在交织点,冲击能量集中在冲击中心区域,使得平纹布铺层的复合材料冲击损伤集中于冲击中心处且损伤程度比单向布铺层的复合材料大,出现更多的纤维断裂情况。在铺层复合材料中纤维排列的方向越多,沿纤维轴向传播的能量方向也就越多,冲击能量在每一层的面内传播更均匀,有利于减轻复合材料受冲击的损伤程度。     

FBG监测层合板低速冲击损伤研究

玻璃纤维复合材料在外界冲击载荷下发生分层损伤,对后续结构的安全使用造成影响。通过布拉格光栅传感器(FBG)对真空辅助成型的层合板在低速冲击载荷下的响应情况进行了监测,分析了不同厚度方向上层合板应变变化,并与层合板的损伤情况进行了对比。结果表明,波长的变化可以有效反映层合板的应变情况,波长差值可以反映层合板内部的损伤情况;FBG在多次冲击后仍具有良好的监测性能,可用于层合板的长期在线监测,为FBG监测层合板低速冲击损伤提供了依据。     

针刺炭/炭复合材料层合板低速冲击损伤仿真

为分析针刺作用对炭/炭复合材料力学性能的影响,通过对针刺炭/炭复合材料层合板进行整体结构分析,建立相应的宏观有限元模型。针对炭布层和网胎层分别引入适当的损伤判据,通过有限元软件ABAQUS/Explicit实现了针刺炭/炭复合材料层合板的低速冲击过程的模拟。结果表明,炭布的损伤主要沿着纤维方向进行扩展,与实验研究结果较为吻合;层合板在多种动能冲击下没有发生分层,表明针刺作用增强了复合材料的层间性能。     

复合材料层合板孔边应力场的有限元计算

纤维增强复合材料具有较高的比强度、比刚度和比模量,在航空航天领域得到越来越广泛的应用.层合板是当前复合材料在工程结构中应用的主要形式.对于含孔的层合板结构,由于材料的各向异性以及孔的影响,其应力分布比较复杂,采用数值解是较好的选择.本文基于层合板的可设计性特点,综合考虑铺层角度、铺层顺序等对层合结构的影响,设计出了一种二十四层对称层合板.以有限元方法为基础,借助ANSYS分析工具,对该层合板含孔结构的孔边应力重点分析,得出了不同铺层角度铺层中应力分布的云图和孔边应力分布曲线.本文结论对复合材料层合板优化设计和带孔层合结构的应力计算具有较好的参考价值.     

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。     

The comparison of low‐velocity impact resistance of aluminum/carbon and glass fiber metal laminates

This article presents the low‐velocity impact response of fiber metal laminates, based on aluminum with a polymer composite, reinforced with carbon and glass fibers. The influence of fiber orientations as well as analysis of load‐time history, damage area and damage depth in relation to different energy levels is presented and discussed. The obtained results made it possible to determine characteristic points, which may be responsible for particular stages of the laminate structure degradation process: local microcracks and delaminations, leading to a decrease in the stiffness of the laminate, as well as further damage represented by laminate cracks and its perforation. The damage mechanism of fiber metal laminates is rather complex. In case of carbon fiber laminates, a higher tendency to perforation was observed in comparison to laminates containing glass fibers. Delaminations in composite interlayers and at the metal/composite interface constitute a significant damage form of fiber metal laminates resulting from dynamic loads. Fiber metal laminates with glass fibers absorb energy mainly through plastic deformation as well as through delamination initiation and propagation, whereas laminates containing carbon fibers absorb energy for penetration and perforation of the laminate. POLYM. COMPOS. 37:1056–1063, 2016. © 2014 Society of Plastics Engineers     

Environmental effects on the strength and impact damage resistance of alumina based oxide/oxide ceramic matrix composites

In this study the effects of high temperature and moisture on the impact damage resistance and mechanical strength of Nextel 610/alumina silicate ceramic matrix composites were experimentally evaluated. Composite laminates were exposed to either a 1050°C isothermal furnace-based environment for 30 consecutive days at 6 h a day, or 95% relative humidity environment for 13 consecutive days at 67°C. Low velocity impact, tensile and short beam strength tests were performed on both ambient and environmentally conditioned laminates and damage was characterized using a combination of non-destructive and destructive techniques. High temperature and humidity environmental exposure adversely affected the impact resistance of the composite laminates. For all the environments, planar internal damage area was greater than the back side dent area, which in turn was greater than the impactor side dent area. Evidence of environmental embrittlement through a stiffer tensile response was noted for the high temperature exposed laminates while the short beam strength tests showed greater propensity for interlaminar shear failure in the moisture exposed laminates. Destructive evaluations exposed larger, more pronounced delaminations in the environmentally conditioned laminates in comparison to the ambient ones. External damage metrics of the impactor side dent depth and area directly influenced the post-impact tensile strength of the laminates while no such trend between internal damage area and residual strength could be ascertained.     

基于SPH方法的鸟撞复合材料层合板数值分析

采用光滑粒子流体动力学法(SPH)耦合有限元法对复合材料层合板受鸟撞击的过程进行了数值模拟。复合材料层合板采用渐进损伤模型,鸟体采用SPH粒子建立模型,利用ANSYS/LS-DYNA显示动力分析模块分析了复合材料层合板结构非线性接触。分析了鸟撞层合板过程中鸟体损伤及层合板单层纤维失效和基体失效情况,分析了鸟体的入射角方向及层合板采用不同铺层时对层合板吸能效果的影响。计算结果表明,合理设计层合板铺层可以提高层合板的吸能效果。     

湿热环境对碳纤维/环氧复合材料的冲击破坏特性影响

为了研究湿热环境对碳纤维/环氧树脂(CFRP)复合材料抗冲击性能的影响,对碳纤维/环氧复合材料层合板进行70℃水浴处理,采用锥头圆柱形弹体对湿热饱和试样和干燥室温试样进行速度分别为45 m/s、68 m/s、86 m/s的冲击,采用激光测速仪测量冲击前后的速度,然后采用超声C扫描检测系统、超景深三维显微系统、扫描电镜(SEM)等方法对试样的冲击破坏进行检测。实验结果表明:随着冲击速度的增加,试样的破坏投影面积增加;在速度较低时,湿热环境对碳纤维/环氧树脂层合板的损伤孔洞面积影响更大;湿热处理之后的碳纤维/环氧树脂层合板层间性能明显降低。     

变刚度铺放改善单钉双剪螺栓连接拉伸强度

沿最大主应力方向的变刚度铺放可有效提高复合材料构件的强度。以与孔周围设定区域内,单元格上流场速度矢方向与有限元得到的最大主应力方向之间的差异最小为优化目标,优化有势流场构造参数,从而得到优化的变刚度铺层轨迹。该方法得到的变刚度铺层能最大程度地使纤维主方向与层合板在该点处的最大主应力方向一致。研究结果表明,变刚度铺放不仅可提高层合板的拉伸强度,还可使试件在达到极限载荷后的承载能力下降速度平缓,从而降低了发生瞬时性损坏的概率。     

脆性夹心复合材料层合板冲击损伤研究

通过冲击损伤试验，揭示了脆性夹心复合材料层合板的损伤机理，并提出了用于此类结构材料剩余强度预测的一套工程计算方法。     

准静态压痕作用下复合材料层合板损伤阻抗与损伤容限实验研究

参照标准实验方法,开展了复合材料层合板对准静态压痕力的损伤阻抗和损伤容限实验研究,获取了接触力、压痕深度、压头位移等实验数据,并对含静压痕损伤层合板进行了剩余压缩强度试验。研究了压痕深度-接触力与剩余压缩强度-压痕深度的变化关系,并讨论了准静态压痕过程中的损伤演变过程和层合板的压缩破坏模式。结果表明:当层合板表面出现目视勉强可见压痕时,初始损伤发生,压痕深度随接触力增大而明显增大,同时剩余压缩强度随压痕深度增加而明显降低;当达到最大接触力时,层合板失去承载能力,背面可看到大量纤维断裂。对于含静压痕损伤的层合板,压缩破坏模式为贯穿损伤区域的层合板断裂。