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。     

复合材料层合板损伤区域扩展全过程分析

对碳纤维NCF层合板进行了2组准静态压痕试验。第1组采用不同的压头尺寸探究不同压头直径对层合板损伤区域和面积的影响;第2组进行固定压头尺寸的重复试验,使用非接触空气耦合超声波扫描试样损伤情况,研究静压痕力、凹坑深度、损伤面积三者之间的联系。利用Abaqus有限元软件,根据Hashin准则和内聚力单元的结合,对第2组层合板准静态压痕试验进行全过程的损伤扩展分析。分析结果表明,基体拉伸的破坏是层合板最容易出现的破坏,而且其损伤区域涵盖了其他4种损伤区域。凹坑深度与损伤面积存在一定联系,试验开始阶段凹坑增加速度缓慢,损伤面积增加速度较快;接近极限载荷时,凹坑深度增加速度加快,损伤面积增加速度减缓。     

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。     

复合材料层合板雷击损伤数值模拟研究

复合材料导电性差,雷击损伤严重危及到复合材料飞机结构安全。研究建立了复合材料层合板雷击损伤数值模拟的三维有限元模型。首先给出雷击电流作用下复合材料层合板的热-电耦合控制方程,然后建立基于层合板温度分布的单元失效和材料热电性能衰减准则,通过ABAQUS有限元软件的热电耦合分析模块中添加用户子程序USDFLD实现复合材料层合板雷击损伤数值模拟。预测结果与试验结果对比表明,该模型可准确预测复合材料层合板雷击损伤的损伤形状、面积和深度。     

基于拉伸载荷的碳纤维/环氧树脂层合板疲劳断裂机理

为研究拉伸载荷下碳纤维/环氧树脂层合板的疲劳性能，开展了4种应力水平下的T300/6511碳纤维平纹织物层合板的拉-拉疲劳实验，得到了不同应力水平下层合板的疲劳寿命。采用超声波C扫和扫描电子显微镜（SEM）观察断口形貌及内部损伤，讨论复合材料疲劳损伤发展积累过程和断裂机理。通过复合材料疲劳有限元分析模型，模拟了复合材料织物层合板疲劳损伤积累和失效过程，绘制了S-lg N曲线，分析发现模型预测的疲劳寿命及失效模式与实验结果吻合良好。疲劳加载时，层合板两侧自由边的表面首先出现基体开裂和分层损伤，随后诱发基体与纤维间界面破坏，损伤加剧，并迅速向内侧扩展；最后大量纤维和基体断裂，损伤贯穿整个截面，导致疲劳断裂。     

纤维复合材料层合板在四点弯曲载荷下的损伤分析

实验测试了T300/7901碳纤维复合材料[0/90]_(8s)层合板在四点弯曲静载下的载荷-位移响应及破坏载荷。基于桥联模型,在商用软件Abaqus/CAE中实现对该层合板在四点弯曲静载条件下的层内以及层间损伤破坏进行模拟分析。分析方法分为四个部分:仅利用组分材料数据,基于桥联模型对单向复合材料层的本构关系建模;利用考虑三维应力的Hashin判据预报复合材料层的纤维拉伸、压缩损伤及基体拉伸、压缩损伤;出现组分材料损伤后对相应材料点采用Camando方法进行刚度退化;在复合材料单层中间插入薄的纯树脂层,通过树脂层的损伤破坏分析层间分层。在Abaqus/Explicit模块中,利用子程序VUMAT完成以上材料建模分析;将模拟结果与实验数据进行对比。结果表明,模拟得到的载荷-位移曲线及破坏载荷与实验结果吻合很好,所提出的材料模型能有效预报纤维复合材料层合板的层内及层间损伤破坏情况。     

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。     

胶接碳纤维复合材料层合板拉伸性能及有限元模拟

使用自动铺带工艺制得胶接的碳纤维复合材料层压板试验件,通过轴向拉伸测试,测得了整个试验件的载荷-位移曲线和检测点附近的应变-载荷曲线。试验结果表明,在拉伸载荷作用下试件发生层间剪切破坏,由于胶层的剪切强度高于层合板的层间剪切强度,破坏并没有发生在胶接面内,而是发生在胶层以外的层合板的层间。建立了相应的有限元模型,模拟结果和试验结果的一致说明了有限元模型的合理性。     

基于非线性本构关系的有限元计算复合材料层合板的强度

复合材料的桥联模型本构理论考虑了基体材料的非线性特性.本文根据联模型理论编制出用户自定义材料库程序,与有限元软件ABAQUS实现接口,以方便地分析计算复合材料层合板结构的非线性响应与极限强度问题.在限元计算中荷载采用逐步加载的方式施加,最终得到复合材料层合板极限坏时的内力包罗图和应力应变曲线.有限元模拟的结果与桥联模型解析解结果吻合得很好,并且与实验结果相一致.     

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。     

基于数字图像相关方法的复合材料层间剪切性能研究

层间剪切强度是评价复合材料层合板层间力学性能的一项重要指标。首先,按照ASTM D 2344开展了复合材料层合板短梁剪切试验,研究了CCF300/5228复合材料层合板层间剪切性能。其次,基于数字图像相关方法得到了不同载荷作用下层间全场位移和应变分布。最后,利用ABAQUS建立了复合材料层合板有限元模型,分析了复合材料层合板层间位移及应变分布,并与数字图像相关计算结果进行了对比。研究表明,数字图像相关方法试验结果与有限元分析结果具有较好的一致性。数字图像相关方法能够实时监测层合板层间应变分布,进而预测层间剪切破坏位置,为复合材料层间剪切性能研究提供有效的全场应变监测手段。     

应用ANSYS的复合材料层合板静强度预测

复合材料层合板的静强度预测对于层合板设计和应用都具有重要的意义。为了提高预测的有效性,减少实验成本,在基于单层板理论的逐渐累积损伤的静强度预测方法的基础上,提出了用于二维机织复合材料静强度的预测方法。首先,以ANSYS有限元分析软件作为平台,利用其自带的APDL参数化语言建立有限元模型,并将铺层方式设定为[(0,90)/(±45)/(0,90)/(±45)/(0,90)]s,然后经过ANSYS软件的计算,得到最终的预测结果,最后制作该铺层方式的复合材料层合板并作拉伸实验,得到其实验强度,通过对比预测结果和实验结果验证了该预测方法的有效性。     

平纹编织复合材料层板高速冲击损伤机理研究

根据碳纤维平纹编织复合材料层板在高速冲击下的断裂形貌特征,基于能量守恒原理构建层板的能量解析模型。模型考虑弹体动能被层合板的剪切破坏、拉伸断裂、压缩变形、分层损伤以及冲击区运动等损伤模式吸收,最终得到常微分形式的能量平衡方程。方程的几何参数中剪切充塞孔深度由试验弹道极限速度及理论求解得到,裂纹长度和分层损伤区域通过弹道冲击试验测量获得。在验证模型准确性的基础上,研究表明层合板在中速冲击时纤维拉伸断裂损伤吸收最多的能量,而高速冲击时压缩变形成为主要的吸能方式。在整个冲击过程中,较大的分层损伤区域使得基体的能量吸收作用不可忽视。层合板在平头弹冲击下与圆头弹相比吸收了更多的能量。     

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。     

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。     

复合材料层合板低速冲击后的力学性能试验研究

对特定铺层的5224/CF3052平纹织物复合材料层合板进行了低速冲击和冲击后拉伸、压缩及弯曲试验。探讨了层合板在冲击试验过程中的损伤过程、特征和机理;分析了凹坑深度对层合板冲击后拉伸、压缩和弯曲强度的影响规律。结果表明:冲击后拉伸、压缩及弯曲强度降幅分别为60.9%、50.4%及28.4%,冲击后拉伸强度降幅最大,应引起注意。与冲击后压缩试验结果类似,凹坑深度与冲击后拉伸、弯曲剩余强度关系曲线存在拐点现象。     

基于模态应变能的复合材料板层间损伤定位研究

应用基于模态应变能的损伤识别方法对复合材料层合板的层间损伤进行定位研究,并基于单元模态应变能变化率提出了改进的损伤指标。通过有限元软件方法模拟复合材料板层与层之间的损伤(如残留气泡等缺陷引起的损伤),提取受损模型的各阶模态振型,将改进的单元模态应变能变化率作为复合材料层合板的损伤定位指标。通过有限元数值模拟,验证了模态应变能方法在复合材料层合板定位层间损伤的有效性,从而在保证损伤定位精度的前提下,大大减小后期分析的工作量。     

连续大开口复合材料层合板拉伸力学行为研究

复合材料层合板作为飞机主承力构件使用时,常需在其上设置大开口以满足设备安装、检查维修等要求,但开口切断了纤维,导致结构局部应力和变形不连续,进而引发的应力集中使其力学行为复杂。针对机体主承力结构中含两个椭圆形大开口的复合材料层合板,采用试验与数值模拟相结合的方法,对其在拉伸载荷作用下的变形、传载以及应力集中现象进行了分析,并预测了结构损伤失效模式及破坏载荷。结果表明:复合材料层合板大开口附近应力分布复杂,应力集中导致开口周边区域易出现损伤,且损伤形式多样;尽管决定层合板极限强度的是纤维拉伸损伤失效,但泊松效应引起开口区过早出现的纤维挤压损伤不容忽视。     

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...     

复合材料层合板低速冲击承载能力的细观力学有限元模型

将复合材料细观力学桥联模型与有限元软件ABAQUS结合,用于分析层合板受低速冲击作用的极限承载能力.通过确定组分材料是否破坏来判断单层板是否破坏,对破坏后的单层实施一种常系数刚度衰减.将细观力学本构模型、针对组分材料的破坏判据以及刚度衰减模式编制成用户子程序VUMAT,为ABAQUS求解层合板的极限冲击响应提供一种自定义材料模型.只需要输入纤维和基体的材料参数、纤维体积含量等有限数据并且无须单层板的实验数据,就能顺利实施复合材料层合板结构的冲击承载能力分析.所计算的层合板的挠度-时间曲线以及横向冲击力-时间曲线与实验值吻合良好,说明本文的方法是有效的.