含孔复合材料层合板失效准则研究

基于最大应力准则、Hashin准则、Hill-蔡强度理论、Ye-分层准则、Chang F K准则等失效准则,提出了一个新的预测含孔层合板的失效准则-混合准则。基于该准则和Hashin三维失效准则及相应的材料性能退化模型,建立适用于含孔复合材料层合板的强度分析方法。采用该方法分别对T300/BMP316和T300/KH-304两种材料的含孔层合板拉伸强度进行预测,与试验结果对比表明：T300/BMP316含孔层合板和T300/KH-304含孔层合板静强度的预测值与试验值的最大误差分别为6.28%和2.32%,初步证明了该方法的有效性与合理性,及混合失效准则的优越性。     

三维编织含孔复合材料工字梁的弯曲性能分析

制备了含孔三维编织工字梁织物及其复合材料,获得了不同孔洞数的三维编织复合材料工字梁,对其进行了弯曲测试,同时结合3D-DIC图像采集和分析系统研究了三维编织含孔复合材料工字梁的弯曲过程及其损伤机理。结果表明,两孔工字梁在达到其峰值载荷之后,仍然能够保持76%以上的载荷。三维编织含孔工字梁复合材料在弯曲载荷的作用下发生基体开裂、纤维与基体分离、纤维断裂。最大应力点位于腹板空腹区上下方的凹状区域,孔洞周围树脂表面树脂最先发生开裂,裂纹沿着孔洞周边以及编织角方向延展,造成材料失效。     

沉头单钉连接层合板拉伸试验与分析

为了研究复合材料层合板沉头单钉螺接结构的拉伸性能,对试验件进行了拉伸试验,并通过ABAQUS/Standard基于Hashin失效判据建立了三维渐进损伤有限元模型,计算得到的条件挤压载荷、极限挤压载荷均与试验吻合良好,说明了所建模型的有效性。在此有限元模型的基础上,分析了挤压过程中钉孔的渐进损伤过程,并且研究了螺栓的拧紧力矩、钉孔间隙和连接金属板厚度等因素对结构拉伸强度的影响。结果表明:拧紧力矩在一定范围内可以提高结构强度,并且抑制了分层损伤的出现;钉孔间隙则改变了钉孔初始接触状态,显著地降低结构的强度,而金属板厚度对结构的强度影响较小。     

胶接修补复合材料层合板的渐进损伤分析方法

建立了一种预测胶接修补复合材料层合板损伤演变与剩余强度的渐进损伤分析模型。该有限元方法应用三维渐进损伤模型和内聚力模型分别模拟复合材料层合板和修补胶层的失效过程。引入与材料损伤模式相对应的损伤变量表征材料的损伤状态,材料的刚度矩阵按损伤变量退化。计算得到了复合材料含孔板和相应的复合材料层合板胶接修补结构的极限强度。计算结果和试验数据吻合良好,验证了渐进损伤分析方法的有效性。     

含孔二维机织复合材料层合板强度预测方法研究

将基于单层板理论的逐渐累积损伤强度预测方法推广用于含孔二维机织复合材料层合板的强度预测,建立了含孔二维机织复合材料层合板的逐渐累积损伤强度预测方法.并在ANSYS软件平台上开发了相应的参数化二维机织复合材料含孔层合板逐渐累积损伤强度预测程序,对两种孔径两种铺层的含孔二维机织复合材料层合板的强度进行预测,并对其损伤扩展规律进行了分析.经与试验结果对比表明本文所建立的强度预测方法效果良好.     

三维编织T300/QY9512弯曲性能的实验研究

对于均质各向同性材料，三点弯曲实验和四点弯曲实验得到的弯曲模量与拉伸模量基本上一致。而对于三维编织复合材料，其弯曲模量特性则与拉伸性能不同。通过对三维编织T300／QY9512复合材料三点弯曲和四点弯曲的实验，得到三维编织复合材料的弯曲性能。比较分析后，发现与四点弯曲实验不同，三点弯曲实验并不能直接得到试件的弯曲模量；而两种实验得到的强度差异不大。与拉伸压缩的实验数据比较，可以得到：试件的弯曲模量不等于其拉伸和压缩模量；弯曲强度也不同于拉伸强度和压缩强度。试件的弯曲破坏是由试件内部压缩失效造成的结论。     

复材非线性及渐进损伤的态型近场动力学模拟

为了实现复合材料材料非线性行为在态型近场动力学的模拟,引入单参量非线性本构模型来确定态型近场动力学中力状态与变形状态之间的非线性关系.为了实现复合材料渐进损伤行为的态型近场动力学模拟,在力状态表达式中引入一个标量函数,以实现利用强度准则判断物质点之间作用力是否失效.采用动力松弛法作为数值求解方法.结果显示,模型计算得到的单向复合材料板(AS4/PEEK)的非线性应力-应变曲线与试验数据吻合良好;对中心含孔复合材料板的渐进损伤模拟则表明,该模型模拟的破坏形式与已有研究的模拟结果及实验观察结果一致.探索和实现了复合材料非线性本构在态型近场动力学中的引入以及复合材料渐进损伤在态型近场动力学中的模拟.     

开孔碳—碳复合材料拉伸力学性能分析

对三种不同开孔形式的碳—碳编织复合材料板进行拉伸测试,获得中央开孔（CH）、双孔串联（DHC）和双孔并联（DHB）三种开孔板的破坏载荷和破坏模式,三种结构的载荷—位移曲线均为线性.采用数值方法,基于点应力准则预报开孔碳—碳编织复合材料板的破坏载荷,与试验结果吻合较好.利用该模型对开孔板应力进行分析,讨论开孔形式对破坏载荷的影响,并获得碳—碳编织复合材料不同开孔下的应力集中系数,对于5 mm厚开圆孔板,碳—碳编织复合材料表现为缺口不敏感.     

含损伤缝合复合材料层压板压缩剩余强度估算方法

提出了用基于平均应力判据的0°层纤维控制的强度破坏准则a0来估算开孔缝合复合材料层压板压缩剩余强度的方法。通过将冲击损伤简化为椭圆孔,采用上述的强度破坏准则估算了含冲击损伤的缝合层压板的冲击后压缩剩余强度。进行了缝合复合材料层压板的开孔压缩和冲击后压缩试验。估算结果与试验结果具有良好的一致性,满足工程精度要求。     

基于连续介质损伤模型的复合材料连接件失效分析

对4种不同铺层顺序的复合材料销钉连接件进行了挤压试验,得到复合材料销钉连接件的挤压强度和弦向挤压刚度,分析了载荷方向偏角对失效模式、挤压强度和弦向挤压刚度的影响规律。基于连续介质损伤力学理论,建立了复合材料销钉连接件在挤压载荷下的三维非线性数值模型,其中,采用最大应变准则预测纤维损伤的萌生,损伤演化规律则采用双线性损伤本构关系。基于物理失效机制的Puck准则对基体损伤的起始进行判定,根据断裂面内的等效应变表征基体损伤的扩展。该模型还考虑了剪切非线性和就地强度效应对挤压强度和损伤扩展的影响。基于此模型分析了销钉连接件在挤压载荷下的失效模式、挤压强度和弦向挤压刚度。试验结果和计算结果较好吻合,验证了模型的准确性和适用性。     

熔丝制造3D打印CFRP层内损伤破坏机理与模型研究

为将3D打印技术应用到桥梁工程中,以熔丝制造3D打印碳纤维复合材料锚环为研究对象,开展了材料层内损伤失效机理的基础性研究工作.首先,对锚环进行了张拉锚固破坏试验,明晰材料的损伤失效模式.其次,测试分析了材料的弹性参数及强度参数值,供后续仿真分析使用.最后,通过VUMAT子程序构建了材料的损伤失效本构关系,利用ABAQUS仿真分析软件模拟熔丝制造3D打印碳纤维复合材料锚环的渐进损伤失效全过程,分析其层内损伤失效机理.结果表明：熔丝制造3D打印碳纤维复合材料具有显著的层内损伤现象;选用Hashin损伤起始判据与刚度瞬间退化模型作为熔丝制造3D打印碳纤维复合材料损伤力学模型偏于安全,具有一定的可行性;锚环在高度方向产生纵向裂纹是由纤维拉伸失效导致的.     

Influence of Assembly Parameters on Tensile Behavior of Hybrid CMC and Superalloy Bolted Joints by Progressive Damage Analysis

基于渐进损伤分析的装配参数对陶瓷基复合材料与高温合金

混合螺栓连接结构拉伸行为的影响

吕超¹,李锋¹,赵淑媛²,孙茜³,李明瑞²,孙新杨⁴

（1.中国航天空气动力技术研究院,北京 100074;2.哈尔滨工业大学 特种环境复合材料技术国家级重点实验室,哈尔滨 150080;3.中航工业集团公司沈阳飞机设计研究所,沈阳 110000;4.哈尔滨工业大学 航天学院,哈尔滨 150001）

创新点说明：

采用ABAQUS有限元软件对陶瓷基复合材料和高温合金螺栓连接结构进行了渐进损伤分析,研究了连接结构装配参数对混合连接结构拉伸性能的影响规律,并讨论了连接结构的损伤失效模式,为提高陶瓷基复合材料连接结构的结构效率及服役安全性提供理论基础。

研究目的：

在飞行器结构应用中,陶瓷基复合材料与金属螺栓连接件的强度分析与结构设计对提高结构承载效率及维护结构完整性起着至关重要的作用,研究连接结构装配参数对陶瓷基复合材料-高温合金螺栓连接结构拉伸性能的影响,对其在航空航天领域的运用具有重要意义。

研究方法：

采用有限元软件ABAQUS建立了2D编织C/SiC陶瓷基复合材料与高温合金GH4169组成的单钉单搭接螺栓连接结构的有限元分析模型,结合Fortran语言将非线性本构模型、失效准则及材料退化模型编写成用户子程序UMAT文件,并嵌入到ABAQUS有限元软件中实现高温拉伸条件下陶瓷基复合材料与高温合金沉头螺栓紧固件的渐进损伤分析。基于此模型研究了连接结构装配参数对混合连接结构拉伸性能的影响规律,并讨论了连接结构的损伤失效模式。

结果：

2D编织C/SiC复合材料与高温合金组成的螺栓连接结构施加适当的预紧力可以提高连接结构的刚度和强度,但过大的预紧力会使复合材料板厚度方向发生破坏,从而导致接头强度下降。钉孔间隙的增加将加剧孔内挤压区域的应力集中现象,导致结构强度降低。

结论：

本研究针对陶瓷基复合材料和高温合金螺栓连接结构,研究了连接结构装配参数对混合连接结构拉伸性能的影响规律及相关失效模式,为陶瓷基复合材料连接件的结构设计和工程化应用提供了技术支撑。

关键词：陶瓷基复合材料;渐进损伤分析;拉伸性能;预紧力;钉孔间隙

     

含缺陷三维编织复合材料有效性能研究

本文研究了含缺陷情况下的一种三维编织材料的有效力学性能.本文构建了该三维编织复合材料的单胞模型,并采用基于非均匀单元的有限元方法计算了该材料单胞的应力分布.得出了该材料的模量和泊松比等有效力学性能参数,并与用相同方法得出的不含缺陷情况对应的结果进行了比较.研究表明,本文采用的方法对于具有复杂材料分布特征且含有缺陷的三维编织复合材料的力学性能分析非常有效.数值计算结果说明,三维编织材料中的缺陷使得材料整体的力学属性有一定的降低,但是缺陷对各有效力学属性分量的影响程度不同.     

含孔复合材料层合板拉伸强度研究

对含孔复合材料层合板的破坏模式和拉伸强度进行了研究,考查了孔的直径和形状对层合板强度的影响.通过实验研究,测量出含孔层合板的强度.利用有限元软件ABAQUS的子程序USDFLD建立了逐渐损伤失效模型,对层合板的强度进行了数值模拟.研究结果表明,数值模拟得到的强度值和实验测量的强度值吻合较好,文中建立的数值模型可以有效地预测含孔层合板的强度.     

复合材料圆管轴向冲击试验与数值模拟

为了探究CF3052/5224复合材料圆管的轴向吸能性能,设计了含薄弱环节的复合材料圆管,进行了轴向动态冲击的试验研究,并分析了其损伤形貌.结果表明,含切角薄弱环节的圆管发生了渐进失效破坏.结合改进的Hashin损伤判定准则,基于MSC.Dytran有限元分析平台对其进行了数值模拟,模拟得到了能量评估参数比吸能SEA(special energy absorption)和平均载荷值,将模拟结果与试验结果进行了对比分析,其平均压溃载荷相对误差不超过15%,能够满足工程应用要求.     

热载荷对三维编织复合材料拉伸性能的影响

针对热载荷对三维四向编织复合材料拉伸性能的影响,基于材料细观结构几何模型,推导了三维四向编织复合材料稳态热传导分析有限元方程,建立了三维四向编织复合材料热力耦合行为分析力学模型.将稳态热传导分析得到的温度场作为热力耦合分析时的热载荷,并施加相应的机械载荷,完成了热力耦合强度预报.研究结果表明螺旋型纤维等效模型的数值预报结果与实验数据基本吻合,说明该模型能有效地计算三维编织复合材料的纵向拉伸强度;边界热流对小编织角三维四向编织复合材料的纵向拉伸强度影响较大;该研究为后续的瞬态热传导分析分析奠定了基础.     

多尺度方法预测复合材料层板裂纹扩展

为了研究复合材料层板在细观和宏观尺度上的损伤分布,文中基于高精度通用单胞细观力学模型,发展了一种多尺度分析方法．该方法只需纤维和基体的材料属性、强度参数及纤维体积含量,而无需复合材料层合板的弹性参数和强度参数．文中使用该方法分析了复合材料结构的宏细观上的应力应变场;结合多尺度损伤模型,研究了复合材料的细观损伤以及宏观的裂纹扩展;通过二次开发ANSYS／LS-DYNA软件,文中将高精度通用单胞细观力学模型编译到用户自定义材料子程序中;使用这种方法分析了开孔层板轴向拉伸条件下的各个分层的应力分布、组分失效模式和裂纹扩展．并将计算结果与实验结果对比,结果表明: 数值模拟随时间变化的应力曲线与实验所得的曲线能较好的吻合; 预测的裂纹扩展与实验结果比较吻合．     

纤维增强复合材料拉伸强度的Weak-Link比例预测

为了讨论weak-link比例对强度预测的适用范围,基于纤维增强复合材料的渐进破坏机理,考虑纤维强度的统计特性,采用Monte-Carlo方法对材料在热/机械载荷作用下的拉伸强度分布进行了数值模拟分析。研究结果表明：在形状参数β =10的条件下,如果希望通过weak-link缩放比例对大尺寸材料的强度分布进行预测,则复合材料的临界尺寸应达到25根纤维的规模。分析认为：小尺寸材料拉伸强度的分散性趋于稳定,即达到临界尺寸,是采用weak-link比例预测大尺寸材料强度分布规律的先决条件。研究方法为进一步发展基于损伤机理分析的复合材料在循环载荷作用下的疲劳寿命预测理论奠定了基础。     

三维四向编织复合材料的单胞应力场分布

基于三维四向编织复合材料预制件的细观结构,提出了螺旋型纤维等效模型.采用多相有限元数值法获得了三维四向编织复合材料的轴向拉伸应力应变关系,通过有限元计算得到了材料单胞模型的细观应力分布.结果表明,螺旋型纤维等效模型的数值预报结果与实验数据基本吻合,证明了该单胞模型符合三维四向编织复合材料的实际细观结构,该模型能有效地计...     

二维平纹编织CVI工艺C/SiC复合材料的疲劳行为

通过室温等幅单向拉-拉疲劳实验,对2D平纹编织C/SiC复合材料的疲劳性能进行了研究。通过对实验数据的分析,发现疲劳极限(N=5×105)约为极限拉伸强度的80%~85%,当加载应力超过88%极限拉伸强度时,失效很快发生,给出计算疲劳寿命的经验公式。通过观察实验件断口,分析了疲劳破坏的机制。研究表明,C/S iC复合材料具有良好的疲劳性能,但其分散性也会给结构设计带来一定的难度。