层合板在冲击载荷作用下本构方程的研究

纤维增强复合材料层合板的冲击响应是一个兼有几何非线性、材料非线性、接触非线性的复杂过程。本文采用连续介质力学,对层合板的运动、变形进行描述,给出了冲击系统的有限元列式。并一步分析研究层合板在低速冲击作用下的极限承载能力,最后导出有限应变低阶壳单元在显式分析中的应力更新方法,便于在有限元程序中加入复合材料的弹塑性本构模型。     

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.     

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。     

非线性本构关系的确立及其工程设计应用

通过调研论证和实验研究，确立了适合我国玻纤复合材料工程设计的非线性本构方程。重点研究修正了Ｈａｈｎ－Ｔｓａｉ和Ｊｏｎｅｓ－Ｎｅｌｓｏｎ两个非线性本构模型。改进了Ｊｏｎｅｓ－Ｎｅｌｓｏｎ模型的参数确定方法；并采用应力叠加原理对该模型进行了合理有效的扩充。提出了双轴硬化系数的概念并加以表达式定量，研究表明，玻纤复合材料只存在双轴硬化现象。完成了玻纤复合树科层合板在复杂载荷下直到ＦＰＦ（第一层破坏）发生时的非线性响应和刚度分析的全过程。单向偏轴拉伸实验，单向板和层合板的平面双轴实验证明，所确立的非线性本构关系是可行的，所提出的工程计算方法是精确实用的。     

基于ANSYS的复合材料层合板的拉伸失效模拟

基于ANSYS的APDL语言开发复合材料层合板的拉伸失效模块,实现有限元分析的参数化建模和累积失效分析.采用Solid64宴体单元建立复合材料层合板的三维模型,依据改进的三维Haisin失效准则对结构单元进行失效判断,并对失效单元进行刚度退化.当失效单元贯穿所有单层时,复合材料层合板结构彻底失效.通过对铺层方式为[0/45/-45/90]s复合材料层合板结构拉伸模拟,探讨其拉伸破坏形式,得到层合结构的最终拉伸强度,并把其拉伸强度与文献实验结果进行对比,得到的结果与实验一致.该方法简便直观,便于工程运用.     

均匀化有限元法预测复合材料层合板宏观有效弹性性能

首先由等效能量原理提出复合材料有效弹性模量定义,再由小参数渐进展开均匀化理论,推导出复合材料层合板等效弹性张量。同时结合有限元方法,建立复合材料层合板的多尺度模型,预测碳纳米管以及纳米薄膜增强复合材料层合板的宏观有效弹性模量。由均匀化方法来求得弹性模量的宏观平均值,将其输入商业软件ANSYS系统进行计算,由此把宏、细观两个尺度耦合起来,可以对复合材料层合板进行等效弹性性能分析。这对新材料的研究、发展具有一定的指导作用。     

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。     

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.     

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。     

层合板有限元分析中的非线性控制

本文主要利用ABAQUS调用USDFLD接口子程序模拟复合材料层合板的性能,并将实际实验数据和直接模拟结果进行对比,调用用户子程序,模拟计算结果与实际实验结果取得了很好的一致性,说明在层合板性能有限元分析中非线性控制的重要性。     

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。     

基于三种不同轮毂材料的储能飞轮转子有限元分析

选用铝合金、钛合金和40Cr三种合金材料,分别分析每种材料在不同旋转角速度条件下的轮毂、轮缘的应力变化规律,利用有限元分析理论结合各向异性弹性体基本理论建立复合材料储能飞轮力学模型,借助ANSYS有限元分析软件,确定易于发生疲劳失效的部位;辅以相同转速条件下,飞轮转子径向和环向应力分析结果,得出铝合金在减小飞轮整体应力水平、优化储能密度方面均优于其他两种合金的结论,完善了选用轮毂材料的基本原则。     

复合材料结构耐撞性能的数值模拟研究

本文研究了复合材料结构耐撞性能数值模拟的策略和方法,包括接触-碰撞有限元理论、复合材料层板缓冲吸能模型和薄弱单元,并在DYNA3D(研究版)软件中加入了复合材料板缓冲吸能模块.采用改进后的程序对波纹梁盒段的坠毁过程进行了数值模拟,并将正面坠毁的数值模拟结果与试验结果进行了比较.结果表明本文采用的理论和有限元模型是合理可行的,同时还对波纹梁盒段斜碰撞的情况进行了数值模拟.本文所提出的方法为复合材料结构的耐撞性设计分析提供了一种有效的工具.     

修复对含分层损伤复合材料层合板振动特性的影响

本文工作是通过对含不同大小分层层合板结构分析,讨论拉伸和剪切修复刚度对含层间分层损伤复合材料层合板振动特性的影响.基于修补分层损伤结构变形特点,将含损层合板的基板、上子板和下子板采用Mindlin板单元离散,而损伤区修复效应以虚拟连接单元模拟,建立相应的有限元分析模型和计算方法.通过对含损层合板的振动分析,讨论并验证本文提出的修复分层损伤模拟连接单元模型的可能性和正确性,依据拉抻和剪切修复刚度对含损层合板固有频率的分别影响与综合影响,得到对分层损伤复合材料层合板修补的指导性原则.     

基于MSC.Nastran的无人机复合材料机翼有限元分析

以某型无人机复合材料机翼为基础,基于MCS．Patran建立四种不同结构机翼有限元模型,并利用MCS．Nastran进行强度校核和模态分析。分析各元件的承载情况,对机翼的结构进行优化,从而提高机翼的寿命,降低生产成本。     

Research on the mechanical properties prediction of carbon/epoxy composite laminates with different void contents

The influence of the porosity on the static mechanical strength of the carbon fiber fabric reinforced epoxy composites laminates was investigated. The tensile, compressive, bending, and interlaminar strength test on the CFRP laminates with porosity of 0.33% and 1.50% were conducted and simulated by a finite element analysis model. The article proposes the failure criterion of the static mechanical strength of the fabric fiber reinforced composites based on the improved Hashin failure criterion that is suitable for the undirectional composite laminates. The basic composite strength parameters are used to evaluate the mechanical properties of CFRP laminates with different porosities. A finite element analysis model is established by using software ABAQUS™ combined with the sudden stiffness degradation model. The experiment results show that the tensile, compressive, bending, and interlaminar strength decrease with the increasing porosities. The tensile, compressive, bending, and interlaminar strength of the fabric carbon fiber reinforced epoxy composites laminates are simulated accurately by the finite element model. POLYM. COMPOS., 14–20, 2016. © 2014 Society of Plastics Engineers     

含界面随机骨料三相增强复合材料的模型构建与有效力学性能预测

利用AUTOCAD绘制不同粒径的骨料随机分布于脆性基体的几何模型,导入ANSYS系统进行网格划分,建立有限元计算的特征体积单元;运用均匀化理论,计算了由随机骨料、基体和黏结层组成的三相复合材料的等效弹性模量,分析了随机颗粒的形状、粒径大小、分布特征、弹性模量以及基体弹性模量等的变化对复合材料力学性能的影响。该方法能够快速方便地建立复杂的几何模型并较真实地反映骨料的实际分布特征,较精确预测复合材料的有效力学性能。     

三维中空复合材料天线罩的有限元结构分析

某类型天线罩外形尺寸较大,减重要求高,三维中空复合材料可满足该类型天线罩透波和结构高强的要求。针对上述使用要求和实际工况,选择三维中空织物复合材料为主体结构,玻璃纤维增强环氧树脂复合材料为补强面层,制备三维中空结构天线罩,采用有限元分析软件建立三维中空结构天线罩的有限元模型,对该类型天线罩在使用工况下的刚度、强度和稳定性进行分析,其计算结果满足刚度、强度和稳定性的要求,并通过压力试验验证中空夹层天线罩的变形量与有限元分析结果保持一致,从而指导该天线罩的铺层设计、优化及材料的选用。     

Design,preparation, properties analysis and simulations of 1-3-3 piezoelectric composites

Herein, a novel 1-3-3 piezoelectric composite material is studied, which is obtained by cutting a piezoelectric ceramic and then infusing two types of flexible polymers. The thickness vibration mode of the 1-3-3 piezoelectric composite material is achieved on the basis of the equivalent parameter model, the invariant field theory and Newnham's series-parallel theory. Then, the finite element simulation method is adopted to simulate the frequency under thickness vibration of the 1-3-3 piezoelectric composite material. The results are consistent with the theoretical calculation formula used for resonance frequency. Given two different thicknesses, the ring-like sensitive elements made of 1-3-3 composite piezoelectric material are developed. The measurement results of resonant frequency are consistent with the results of simulation and theoretical calculations.