层合复合材料冲击损伤破坏过程研究(Ⅰ)——宏观破坏准则

本文对层合复合材料在冲击载荷作用下的细观损伤和宏观损伤(分层、基体开裂、纤维断裂)的破坏机理提出了一种分析模型.该模型假设材料的非线性是由于冲击过程中的细观损伤引起的,在单元本构方程中处理;采用最大应变分量准则,处理材料的宏观损伤,并考虑了相邻层(或单元)材料状态的影响,采用节点分裂的方法模拟上述宏观损伤机理.     

层合复合材料冲击损伤破坏过程研究(I)——宏观破坏准则

本文对层合复合材料在冲击载荷作用下的细观损伤和宏观损伤（分层、基体开裂、纤维断裂）的破坏机理提出了一种分析模型。该模型假设材料的非线性是由于冲击过程中的细观损伤引起的，在单元本构方程中处理；采用最大应变分量准则，处理材料的宏观损伤，并考虑了相邻层（或单元）材料状态的影响，采用节点分裂的方法模拟上述宏观损伤机理。     

碳纤维复合材料层合板低速冲击损伤应力分析

目的 为掌握碳纤维复合材料板在低速冲击载荷作用下的损伤规律,延缓失效破坏,对其冲击损伤的应力状态进行研究。方法 基于ABAQUS平台,建立碳纤维复合材料层合板低速冲击有限元模型,采用Hashin失效准则和VUMAT用户子程序,对碳纤维复合材料层合板的冲击过程进行数值模拟,同时考虑层合板层内与层间失效,以此来研究低速冲击条件下复合材料的损伤机理,分析冲击损伤过程中的应力变化趋势,讨论应力的分布状态。重点研究铺层角度及铺层距离冲头远近对应力的影响。结果 不同角度铺层的应力传播轨迹均沿着纤维方向和垂直于纤维方向同时扩展,应力均先增加至极限值而后迅速下降;铺层角度越大,板料的承载能力越弱,0°铺层的极限应力为1 432 MPa,而90°铺层的极限应力降至1 206 MPa;离冲头越远的铺层应力越小,达到峰值的时间更早且率先下降,说明远离冲头的铺层更早发生失效。结论 揭示了碳纤维层合板在低速冲击载荷作用下的应力状态及其对损伤的影响规律,能够为复合材料层合板零件设计提供参考。     

基于连续介质损伤力学的复合材料层合板低速冲击损伤模型

基于连续介质损伤力学（CDM）方法,建立了分析复合材料层合板低速冲击问题的三维数值模型。该模型考虑了层内损伤（纤维和基体损伤）、层间分层损伤和剪切非线性行为,采用最大应变失效准则预测纤维损伤的萌生,双线性损伤本构模型表征纤维损伤演化,基于物理失效机制的三维Puck准则判断基体损伤的起始,根据断裂面内等效应变建立混合模式下基体损伤扩展准则。横向基体拉伸强度和面内剪切强度采用基于断裂力学假设的就地强度（in-situ strength）。纤维和基体损伤本构关系中引入单元特征长度,有效降低模型对网格密度的依赖性。层间分层损伤情况由内聚力单元（cohesive element）预测,以二次应力准则为分层损伤的起始准则,B-K准则表征分层损伤演化。分别通过数值分析方法和试验研究方法对复合材料典型铺层层合板四级能量低速冲击下的冲击损伤和冲击响应规律进行分析,数值计算和试验测量的接触力-时间曲线、分层损伤的形状和面积较好吻合,表明该模型能够准确地预测层合板低速冲击损伤和冲击响应。     

含孔复合材料层合板逐渐损伤破坏分析

采用逐渐损伤模型有限元技术对含复合材料层板损伤破坏规律进行了研究，编制了面向对象的后处理软件，为损伤累积，损伤扩展与破坏以及损伤类型与模式的预测和研究提供了先进手段，并针对含孔T30／KH304复合材料层板进行了数值模拟和试验研究，研究表明，采用二维逐渐损伤模型及分析方法，以及所发展的后处理模拟分析软件能够较好地模拟含孔层合板的损伤破坏规律和位移－载荷的响应规律，以豚预测层合板的损伤类型，破坏模式和破坏强度，得到了一些有意义的结论。     

圆锥头弹体冲击复合材料层合板数值模拟

采用ABAQUS软件建立了圆锥头弹体正冲击复合材料层合板的有限元模型,并与已有文献结果进行对比验证了模型的可靠性,进而研究圆锥头弹体以不同的入射角度冲击复合材料层合板时初始速度与剩余速度的关系、复合材料层合板的破坏形态及弹体发生跳弹的规律。结果表明：弹体以90°入射角冲击复合材料层合板,在距离临界速度较大时,弹体的剩余速度与初始速度呈线性关系;不同的初始速度对复合材料层合板的损伤面积和破坏机制也不相同;弹体的入射角度越小、复合材料层合板越厚,越容易产生跳弹现象,并给出了入射角度和铺陈层数对跳弹现象的影响规律。该研究可为各种防护装备的设计和优化提供参考。     

基于应变信号的复合材料层合板低速冲击损伤识别研究

为了进行复合材料层合板的冲击损伤识别研究, 设计了由小到大的14个等级的冲击能量, 对应由小到大的冲击损伤, 其中最小能量的冲击没有造成损伤, 最大能量的冲击造成穿透复合材料板的损伤。应用冲击过程中测试得到的应变响应进行损伤识别。基于冲击过程中获得的脉冲应变信号, 提出了10个新的冲击损伤识别指标：脉冲上升时间、下降时间、总时间、上升时间比下降时间、下降时间比上升时间;脉冲上升面积、下降面积、总面积、上升面积与下降面积之比、下降面积与上升面积之比。将提出的10个新冲击损伤识别指标与冲击能量的关系进行了对比研究。研究表明：脉冲下降时间、脉冲总时间、脉冲下降面积、脉冲总面积与冲击能量之间的关系大体上都是单调的, 这4个指标适合0.8J/mm到6.67J/mm的大范围的冲击损伤程度识别, 其余6个指标在一定的冲击能量范围内可以识别冲击损伤程度。应用脉冲下降面积、脉冲总面积指标进行了冲击定位识别研究, 研究表明, 这两个指标也可以识别冲击损伤的位置。     

复合材料层合板低速冲击逐渐累积损伤预测方法

针对复合材料层板在冲击载荷下,各种损伤的产生和扩展是一个随载荷、时间和空间而演变的过程,发展了复合材料层合板低速冲击逐渐累积损伤预测方法.采用刚度退化技术和改进的Chang-Chang失效准则、显式有限元法来模拟复合材料层合板受到低速冲击下逐渐损伤过程.使用所发展的方法分析了[0m/90n/0m]铺层的复合材料层合板在低速冲击过程中的逐渐损伤扩展,结果表明本文的方法能较好地模拟复合材料层板在低速冲击下的损伤扩展及变形过程,计算结果与实验结果吻合较好;对不同冲击能量下层合板损伤扩展研究表明,冲击能量与分层损伤面积成线性关系.     

复合材料层合板冲击损伤及剩余强度研究进展

综述了受低速冲击后复合材料层合板的损伤研究进展,重点介绍了倍受复合材料工程结构设计师所关注的含损复合材料层合板的剩余拉伸及压缩强度问题,最后对有待于进一步研究的问题进行了展望.     

低速冲击后复合材料层合板的压缩破坏行为

对缝纫层合板和无缝纫层合板进行低速冲击后压缩破坏实验,以研究低速冲击后层合板的压缩破坏机理。采用C扫描、X射线、热揭层等技术对层合板内的损伤进行测量和对比。结果表明,界面不是很强的碳纤维增强复合材料层合板低速冲击后受压时,层合板非冲击面的子层屈曲及其扩展是导致层合板冲击后压缩强度下降的重要因素,而且子层屈曲主要是沿垂直载荷的方向(90°)扩展;对于准各向同性板,屈曲子层中与母层相邻的铺层的方向一般为90°。层合板的剩余压缩强度与板的冲击损伤面积无直接关系。      

利用频率指纹检测复合材料层合结构的脱层损伤

在复合材料固化之前,将一定尺寸的聚酰亚胺薄膜插入复合材料结构中模拟复合材料的脱层损伤。采用自由振动方法测定含有损伤和无损伤复合材料悬臂梁的前三阶固有频率,应用频率指纹对复合材料脱层损伤进行识别。识别结果表明,利用结构的频率数据可以构造出一些仅与损伤位置有关,而与结构损伤程度无关的频率指纹。利用这样一些频率指纹可以进行结构损伤的定位。该方法简单可行,为复合材料结构损伤的无损检测提供了一条有效途径。     

纤维增强复合材料层板高速冲击损伤数值模拟

推导了复合材料应变率相关三维本构关系, 并将其用于复合材料层板高速冲击损伤的数值模拟。该模型在复合材料层间引入界面单元模拟层间分层, 结合三维Hashin失效准则进行单层板面内损伤识别, 引入材料刚度退化, 采用非线性有限元方法, 研究了复合材料层板高速冲击的破坏过程及层板的损伤特性。数值分析结果表明, 剩余速度预报结果与实验结果吻合较好, 层板的主要损伤形式是层间分层、 基体微裂纹和纤维断裂, 减小弹体直径、 增大铺层角度和层板厚度能够有效降低层板损伤面积。      

复合材料层合结构的非线性传热分析

基于一阶热层合理论，考虑材料非线性的影响，建立了复合材料层合结构非线性传热分析的热层合理论及其有限元方程。通过数值算例研究了材料非线性对反对称复合材料层合板瞬态温度场的影响。     

不同形状弹体高速冲击下复合材料层板损伤分析

根据纤维增强复合材料宏细观结构,基于纤维的线弹性假设和基体的粘弹性假设,推导了单向复合材料粘弹性损伤本构关系。在此基础上,结合Hashin失效准则进行单层板面内损伤识别,通过界面单元模拟层间分层损伤,采用非线性有限元方法,建立了复合材料层板高速冲击损伤有限元分析模型。利用该模型,深入研究了不同形状弹体高速冲击下复合材料层板的弹道性能和损伤特性,探讨了相关参数对冲击损伤的影响规律,获得了一些有价值的结论。     

纤维增强复合材料层板高速倾斜冲击损伤数值模拟

根据复合材料三维黏弹性本构关系,建立了纤维增强复合材料层板高速倾斜冲击损伤的数值分析模型.该模型在复合材料层间引入界面单元模拟层间分层,结合三维Hashin失效准则进行单层板面内损伤识别,引入材料刚度折减方案,采用菲线性有限元方法,研究高速倾斜冲击下复合材料层板的破坏过程和损伤特性.研究结果表明:层板的主要损伤形式是层间分层、基体微裂纹和纤维断裂;冲击速度不变而入射角度增大时,剩余速度减小,层板损伤面积在一定入射角度范围内有明显变化;入射角度不变而冲击速度增大时,剩余速度增大,层板损伤面积在一定速度范围内也有明显变化.     

低速冲击下复合材料层合板损伤分析

根据低速冲击下复合材料层合板的分层损伤机理,发展了一种分层失效准则,该准则同时考虑了层间拉应力、层间剪应力和基体开裂等因素对分层损伤的影响,并在损伤分析中,区分了冲击正面由挤压应力引起的纤维挤压损伤和冲击背面由弯曲拉应力引起的纤维断裂损伤,模拟了纤维断裂、纤维挤压、基体开裂、基体挤压、分层等五种损伤的起始和扩展过程,完善了作者以前发展了低速冲击逐渐累积损伤模型.通过与实验结果进行比较,验证了模型的合理性.     

复合材料层合扁锥壳的冲击屈曲

研究了计及横向剪切的对称铺设正交异性复合材料层合扁锥壳在三角脉冲载荷作用下的非线性动力屈曲问题；通过在复合材料层合扁锥壳非线性稳定性的基本方程中增加横向转动惯量项并引入三角脉冲冲击力，得到了层合扁锥壳的冲击控制方程，采用Galerkin方法得到以顶点挠度表达的冲击响应方程，并用Runge—Kutta方法进行数值求解，应用B—R准则确定冲击屈曲的临界荷载；讨论了壳体几何参数、物理参数和边界条件对复合材料层合扁锥壳冲击屈曲的影响。     

纤维增强复合材料层板高速倾斜冲击损伤数值模拟

根据复合材料三维黏弹性本构关系, 建立了纤维增强复合材料层板高速倾斜冲击损伤的数值分析模型。该模型在复合材料层间引入界面单元模拟层间分层, 结合三维Hashin失效准则进行单层板面内损伤识别, 引入材料刚度折减方案, 采用非线性有限元方法, 研究高速倾斜冲击下复合材料层板的破坏过程和损伤特性。研究结果表明: 层板的主要损伤形式是层间分层、 基体微裂纹和纤维断裂; 冲击速度不变而入射角度增大时, 剩余速度减小, 层板损伤面积在一定入射角度范围内有明显变化; 入射角度不变而冲击速度增大时, 剩余速度增大, 层板损伤面积在一定速度范围内也有明显变化。     

基于冲击损伤的复合材料气瓶铺层顺序优化设计

基于瞬态动力学理论和遗传优化算法,以提高抗冲击损伤能力为优化目标对复合材料气瓶的铺层顺序进行优化.遗传算法利用MATLAB软件实现,复合材料气瓶冲击损伤分析采用ANSYS进行,通过两个软件之间的信息传递,实现优化计算.以铝内胆复合材料气瓶为算例进行优化,结果表明,在同一冲击能量下,优化后的气瓶基体破裂面积和基体破裂层数...     

复合材料层合板准静态横压损伤及其压缩破坏研究

为了考察一种小试件CAI试验方法的有效性,本文作者对复合材料层合板的准静态横向压缩特性和损伤,以及损伤后的压缩破坏进行了试验研究,采用C扫描、热揭层等技术对层合板内的损伤进行测量,并将含准静态横压损伤层合板的剩余压缩强度与低速冲击后板的压缩强度进行了比较。结果表明:在横压过程中存在分层损伤起始门槛压缩载荷值或压入深度值,以及横压载荷极限值;小板试件各界面的分层面积沿厚度方向的分布和继后的压缩破坏形式等与SACMA的CAI试验标准的情况相异。