埋置元件复合材料层合板的分层损伤

通过对含与不含薄膜埋置元件复合材料层合板的拉伸和层间韧性的力学性能表征,探讨影响埋置元件结构完整性的一些关键因素。利用ABAQUS有限元软件,基于断裂力学用以研究裂纹扩展问题的虚拟裂纹闭合技术(VCCT),建立了在拉伸荷载作用下层合板分层起裂和扩展过程的数值模拟方法。在模拟分析中,考虑了裂纹萌生位置对分层扩展规律及结构强度的影响,并与实验结果比较,验证了本方法的合理性和有效性。     

含损伤复合材料加筋板强度分析及修补研究

对含损伤复合材料加筋板进行了强度分析及修补研究。建立了复合材料层合加筋壁板的有限元分析模型,该模型采用界面单元以有效模拟筋条和壁板之间的连接界面及层板分层界面,连接界面和复合材料层板分别采用Quads和Hashin失效准则作为失效判据,引入材料刚度退化模型,采用非线性有限元方法,研究了复合材料加筋壁板在压缩载荷下的破坏过程。建立了筋条脱粘面积、层板分层面积与结构承载能力之间的关系,对不同损伤加筋板进行了修补研究,研究结果可为合理制定复合材料构件缺陷验收标准和结构修理容限提供分析依据。     

固体火箭发动机粘接界面变形破坏的细观试验与数值模拟

采用扫描电镜原位拉伸试验观察固体火箭发动机粘接界面试件在拉伸过程的变形和破坏过程,分析了载荷作用下界面失效模式和机理;依据粘接界面细观结构,建立了界面的细观数值模型,考虑了其细观损伤特点,在推进剂内部颗粒与基体之间以及推进剂/衬层之间引入界面元,对界面细观变形和破坏过程进行了数值模拟。结果表明,在外界应变5%时,表现为非均质材料内部应力分布不均,随应变的增加,推进剂内部脱湿形成的微孔洞不断扩展,最终导致界面破坏,界面拉伸失效过程表现为损伤的起裂和扩展,是推进剂内部脱湿和粘接界面脱粘共同作用的结果;界面元能有效地模拟粘接界面的脱粘过程,细观数值计算结果与试验结果吻合,正确反映了粘接界面在拉伸过程中细观损伤萌生与扩展的规律。     

复合材料层合板三点弯曲分层损伤有限元模拟

针对复合材料的分层损伤,在有限元软件ABAQUS中引入了双线性粘结域单元层建立有限元模型,模拟分析了分层的起始以及演化,同时研究了粘结域单元尺寸及粘结域单元和层合板单元损伤退化参数最大值对分析结果的影响,最终选定0.2 mm的粘结域网格单元与损伤退化参数分别为0.98和0.97的粘结域单元与层合板单元,得到了层合板不同位置分层损伤起始及损伤扩展,并通过实验测试验证了模拟结果的准确性。     

陶瓷基复合材料疲劳损伤模拟与界面优化设计

本文从界面损伤模拟出发研究了陶瓷基复合材料(CMCs)的抗疲劳设计方法.以CMCs微观结构演变为切入点,在微观尺度建立复合材料各组分损伤机制的物理模型,然后集成到细观尺度的有限元分析之中,从而建立CMCs疲劳损伤的数值模拟方法,并对界面相组成、结构等因素影响疲劳性能的作用机制进行探究,以实现界面的抗疲劳设计.通过多尺度...     

基于支持向量机的碳纤维增强复合材料梁的分层损伤识别

针对目前支持向量机(SVM)运用于复合材料的分层损伤识别的有关研究尚少,采用归一化后的模态频率,基于SVM回归理论对碳纤维增强复合材料(CFRP)悬臂梁的分层损伤位置、大小及分层界面进行了损伤识别。首先建立了CFRP梁的有限元模型,得到"损伤变量-模态频率"的数据库和数值测试案例,对比不同参数优化方法下的SVM回归预测效果。然后使用德国Polytec激光扫描测振仪进行模态试验获取CFRP梁试件的模态频率值,将实测频率值用于SVM回归预测,进一步证实了SVM在CFRP梁结构的分层损伤识别领域的应用前景。     

碳纤维增强复合材料曲梁弯曲失效分析

基于复合材料刚度连续折减方案,结合三维Hashin失效准则,建立了复合材料渐进损伤分析模型,编写了模型对应的用户材料子程序(UMAT)。通过ABAQUS调用该程序对碳纤维增强复合材料曲梁四点弯曲进行仿真,将仿真结果与试验结果进行对比,验证了渐进损伤分析模型的有效性。分析了复合材料曲梁的损伤失效行为,发现在弯曲载荷作用下,碳纤维增强复合材料曲梁主要的失效模式是曲梁弯角区域的基体拉伸失效与拉伸分层失效,分层失效发生后扩展迅速,曲梁迅速失去承载能力最终失效,层间拉伸应力过大是导致复合材料曲梁发生分层失效的主要原因。     

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。     

穿透裂纹对层合板拉伸性能的影响

对含3种不同方向穿透裂纹的层合板进行了拉伸试验研究,通过观测试验过程与断口分析,研究了含穿透裂纹层合板的失效行为。在此基础上,采用ABAQUS软件建立了含穿透裂纹层合板渐进损伤有限元分析模型,对其拉伸性能进行了分析,并对初始损伤与裂纹扩展路径进行了研究,讨论了裂纹形式对复合材料层合板剩余拉伸强度的影响。结果表明,初始损伤发生在裂纹尖端,损伤有沿垂直于载荷方向扩展的趋势。裂纹方向的变化对层合板的剩余强度有明显影响。     

含预置分层复合材料层合板低速冲击损伤分析

以T300/QY8911碳纤维复合材料层合板为研究对象，利用三维Hashin失效准则对层内损伤进行预测，引入Cohesive界面单元模拟层间分层破坏，使用Camanho刚度退化准则确定材料参数退化方案，并编写了用户材料子程序Vumat，利用ABAQUS软件对预置不同分层损伤复合材料层合板低速冲击过程进行了数值仿真模拟。在冲击载荷作用下研究层合板的动力学响应，得到不同预置分层对层合板总分层损伤面积的影响，同时分析了冲击过程中冲击点位移随时间变化的规律。结果表明：预置分层位置离层合板中间层越远，层合板抵抗冲击承载能力越弱。预置分层的分层数目越多，层合板的刚度越低，层合板抵抗冲击承载能力越弱。在预置分层的两侧，层间分层损伤面积呈塔状分布。含预置分层层合板受到冲击时，预置分层对分层损伤的扩展具有一定的抑制作用。     

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。     

循环加载下复合材料胶接面变形与破坏实验研究

复合材料胶接结构损伤变形和演化行为的实时表征对其服役的安全性和可靠性评估具有重要的意义。结合数字图像相关(Digital Image Correlation,简称"DIC")和声发射(Acoustic Emission,简称"AE")技术,研究循环拉伸加载条件下复合材料单搭接界面的损伤变形与破坏行为。依据单向拉伸失效载荷均值,取准静态破坏载荷的70%和80%分别进行循环拉伸加载实验。通过不同阶段复合材料胶接界面的损伤变形场、应变场信息及演化过程中获取的AE信号,分析循环加载下复合材料单搭接界面损伤破坏的力学机制与实时变形和AE特征信号的对应关系。结果表明,复合材料单搭接试件损伤破坏的实时微位移场特征和AE相对能量、撞击累积数及幅度谱等反映了胶接界面微裂纹的萌生及扩展行为。随应力水平的升高,复合材料单搭接试件破坏前的循环次数呈递减趋势。     

考虑就位效应的复合材料强度分析模型及试验

针对复合材料破坏强度预测问题,建立了数值分析模型。模型以三维PUCK准则为失效判据,采用基于连续介质损伤力学(CDM)的退化准则,并考虑了就位效应的影响。分析模型通过将自编材料子程序(UMAT)嵌入ABAQUS实现。进行了碳纤维复合材料开孔拉伸试验以验证模型的准确性,试验结果与分析结果对比表明:模型能较好地预测试验件的破坏强度,并能推演整个损伤发展过程;复合材料强度分析中应适当考虑就位效应。     

基于Lamb波的复合材料结构分层损伤扩展监测研究

分层损伤会严重削弱复合材料结构的强度和稳定性,对其进行监测和识别对保证结构安全具有重要意义。本文提出一种基于Lamb波和时频分析的方法,对复合材料结构中的分层损伤扩展进行在线连续监测。首先研究了Lamb波在含分层复合材料层合板中的传播特性,建立了Lamb波传播时间与分层长度之间的关系,为分层损伤扩展监测提供理论基础;然后采用小波变换对由压电传感元件激励和接收的Lamb波信号在时频域进行分析,测量出Lamb波在压电传感元件之间的传播时间用于确定分层长度等扩展情况。数值仿真和试验研究结果表明,随着分层长度的增加,Lamb波的传播时间逐渐延长,并与分层长度呈线性关系,可以通过小波变换提取的传播时间信息监测出分层的扩展,验证了所提出方法的可行性。     

界面污染对复合材料层间性能的影响

采用双悬臂梁试验方法,研究了成型过程中界面污染对玻纤增强复合材料层间性能的影响,并采用基于虚拟裂纹闭合技术的有限元法对层间裂纹扩展过程进行了数值模拟。研究表明:界面污染试验件的层间Ⅰ型断裂韧性低于未污染试验件;界面污染试验件的测试结果发散性大于未污染试验件;虚拟裂纹闭合技术的模拟结果与试验结果吻合良好,可用于预测裂纹扩展载荷。     

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。     

含碳纳米管薄膜表层的蜂窝夹芯壁板模拟雷击试验研究

近年来复合材料以其优异性能而被广泛应用于航空结构中,但复合材料的整体导电性较低,遭受雷击容易造成严重损伤,威胁结构安全。本文提出将碳纳米管薄膜与复合材料结构共固化形成导电表层,对雷击进行防护。为验证碳纳米管薄膜表层的防护效果,制备了碳纳米管薄膜表层防护的复合材料蜂窝夹芯壁板试验件,施加不同峰值的模拟雷击电流,使用高速摄像机记录其雷击过程,并通过目视和CT扫描对其损伤进行检测。结果表明:不同雷电流峰值情况下,雷电流峰值越大,试验件的表层损伤面积和内部分层损伤长度也越大;相同雷电流峰值情况下,含碳纳米管薄膜防护试验件的表层损伤面积和内部分层损伤长度明显减小,由此可以得知碳纳米管薄膜表层对复合材料蜂窝夹芯壁板的雷击损伤具有较好的防护效果。     

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。     

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。