纤维增强复合材料薄壁圆管扭转失效分析

对碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）薄壁圆管的扭转屈曲、失效载荷和失效模式进行了试验和数值模拟。试验观察圆管在扭矩作用下的3种失效模式,分析了不同失效模式的特征和机理。考虑圆柱壳的初始缺陷和非线性屈曲等因素,利用ABAQUS建立了圆管屈曲和损伤的有限元模型。结果表明:屈曲诱发圆管表面微裂纹的产生和扩展,对圆管的失效有着加速作用;扭转失效过程中圆管层间应力较低,层间分层主要由管壁突然的破坏产生;圆柱壳的初始缺陷对屈曲和失效载荷的模拟影响较大,本文通过对比计算结果和试验数据确定了圆管的初始缺陷系数;损伤模型的数值模拟结果与试验数据相一致,验证了有限元模型的有效性。      

复合材料圆柱壳轴压屈曲性能分析

对完整复合材料圆柱壳轴向压缩性能进行了试验研究,得到了圆柱壳结构的破坏载荷和各测量点的载荷-应变曲线,通过分析得出结构的破坏形式为屈曲破坏。利用ANSYS有限元软件建立了模型,对复合材料圆柱壳进行屈曲分析,将有限元计算的结构变形和屈曲载荷与试验结果进行对比,计算结果与试验结果一致,验证了模型的有效性。利用建立的有限元模型,分析了开口尺寸和铺层角度对含矩形开口的复合材料圆柱壳屈曲载荷的影响。在开口处加装复合材料口盖对结构进行补强,补强后的柱壳结构满足强度设计要求。     

复合材料双曲率壳屈曲和后屈曲的非线性有限元研究

基于 ABAQUS软件分析平台 , 采用非线性有限元法研究了横向载荷作用下复合材料双曲率壳的屈曲和后屈曲行为。通过在有限元模型中引入 Tsai2Wu失效准则 , 预测了复合材料双曲率壳的初始失效及渐进破坏过程 , 数值结果和试验数据吻合较好 , 表明了该模型的合理有效性 , 并详细讨论了各种参数对屈曲和后屈曲行为的影响。经分析复合材料双曲率加筋壳在均布压载和剪力联合作用下的屈曲和后屈曲行为 , 得到了屈曲载荷的拟合曲线 , 研究表明顺剪力的存在有利于提高屈曲载荷。     

复合材料加筋板后屈曲特性研究

通过对复合材料加筋板进行轴向压缩实验和非线性有限元模拟,研究了其后屈曲阶段的损伤和破坏行为.加筋板在实验中被压缩至完全破坏,压溃的加筋板表现出复杂的后屈曲损伤,包括筋条脱粘、纤维断裂、分层、基体开裂等损伤模式.有限元模型中引入了Hashin准则和基于二次应力的胶层失效准则,失稳及破坏载荷的预测结果和实验值吻合较好.分析...     

复合材料波纹夹层圆柱壳设计及轴压性能

结构轻量化是航空航天发展的永恒主题, 波纹夹层圆柱壳作为常见的轻质结构形式, 在航空航天领域具有很大的发展空间。采用模具热压法, 制备出纵向和环向碳纤维复合材料波纹夹层圆柱壳, 其中芯子整体成型, 面板分瓣制备。采用经典板壳屈曲理论, 分析纵向和环向波纹夹层圆柱壳的轴压力学性能, 得到了欧拉屈曲、整体屈曲、局部屈曲和面板压溃4种失效模式下的极限载荷理论公式。绘制出结构的失效机制图, 直观显示出了失效模式与试件尺寸之间的关系。通过对纵向和环向波纹夹层圆柱壳的轴向压缩试验, 获得了结构的载荷-位移曲线及局部屈曲和面板压溃2种失效模式。结果表明:纵向波纹夹层圆柱壳的轴向承载能力及载荷/质量效率优于环向波纹夹层圆柱壳, 在一定范围内增加圆柱壳面板的厚度、减小圆柱壳的高度可提高结构的载荷/质量效率。      

考虑脱粘的复合材料加筋板屈曲后屈曲及承载能力数值分析

建立了复合材料层合加筋壁板的屈曲后屈曲有限元分析模型。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, 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前后屈曲平衡路径及破坏过程。数值分析结果与实验结果吻合良好, 证明了该方法的合理有效性。详细探讨了筋条尺寸及界面单元强度等参数对加筋壁板屈曲后屈曲行为及承载能力的影响规律, 研究表明增加筋条截面惯性矩及筋条密度在一定程度上能有效提高加筋板的屈曲载荷与极限强度, 筋条密度增加到一定程度会引起结构破坏形式由失稳破坏?湮顾跗苹? 界面强度与铺层方式对极限强度有重要影响, 界面脱粘是引起加筋板最终破坏的重要因素。      

剪切载荷下含椭圆形大开口层合板的试验研究

在面内纯剪切载荷作用下, 采用试验与有限元模拟方法研究了结构中心设置椭圆形大开口的正方形复合材料层合板的应力/应变集中现象及屈曲、 后屈曲行为, 通过测试结果对试验件失效模式进行了评估。研究结果表明: 层合板开口附近应力/应变集中程度很高; 大尺寸开口使结构稳定性显著降低, 且开口层合板具有较好的后屈曲承载能力; 由于弯曲产生高水平的层间应力, 导致局部分层损伤并伴有基纤剪切破坏; 随着横向挠度的增加, 各应力集中区域的纤维发生拉伸断裂, 导致整体结构瞬间发生脆性失效。有限元模拟结果与试验结果符合较好。     

静水压下含缺陷中厚复合材料圆柱耐压壳的极限强度

为探究静水压下含缺陷中厚复合材料圆柱耐压壳的极限强度，以湿法缠绕工艺制备中厚玻璃纤维增强树脂基复合材料(GFRP)圆柱耐压壳结构模型，对其初挠度进行测试，并开展静水压破坏试验，分析了结构的极限承载能力、应变响应和破坏模式。基于实测初挠度及破坏模式，建立含缺陷复合材料圆柱壳的非线性分析有限元模型，同时考虑壳体几何缺陷及承压过程中的复合材料面内损伤，编制ABAQUS接口子程序USDFLD，对模型的损伤过程进行数值模拟，获得静水压下含缺陷中厚复合材料圆柱壳的渐进失效过程，并与试验结果对比验证。研究表明：在静水压下中厚GFRP圆柱壳结构在破坏前载荷几乎呈线性增加，最终破坏模式为材料的压缩破坏，整体屈曲破坏模式不明显。考虑结构的几何缺陷和材料损伤演化后，采用非线性有限元模拟得到的壳体极限强度与试验结果吻合良好，可以作为预测含缺陷中厚复合材料圆柱壳极限强度的方法。采用该方法对影响中厚复合材料圆柱耐压壳极限强度的关键参数进行了研究，为深海复合材料耐压壳的研究设计提供参考。     

复合材料圆柱壳的轴压屈曲失效试验

为了研究高径比大于1的复合材料圆柱壳的轴压屈曲性能及其失效模式,对2组单向纤维圆柱壳和3组外侧环裹环向纤维圆柱壳进行了轴压试验,观察了试件的受力过程和破坏形态,获得了荷载-位移曲线和荷载-应变曲线,利用有限元模型分析了单向纤维圆柱壳两种屈曲形式的破坏机制,对比分析了两种铺层试件的轴压性能。结果表明:单向纤维复合材料圆柱壳出现先纵向劈裂后板壳屈曲和先柱壳屈曲后纵向劈裂的两种破坏模式;外侧环向纤维可改善圆柱壳的轴压性能,屈曲发展有一定的阶段性并表现出延性特征,破坏形式和承载力均较为稳定。     

含离散源损伤复合材料加筋板的拉伸特性

通过对含有离散源损伤的复合材料加筋板的拉伸试验和有限元模拟,研究了离散源损伤的损伤扩展与破坏特性。结果表明:复合材料加筋板的离散源损伤用穿透蒙皮切断桁条的切口来模拟是合适的,蒙皮上的穿透切口前端有很高的应力集中,桁条被切断导致加筋板传力路线改变;基于Hashin失效准则的渐进损伤有限元数值模拟方法,可以有效地模拟含切口加筋板的宏观损伤扩展和破坏过程,计算结果与试验值吻合较好。      

侧边边界条件对复合材料加筋板轴压载荷下屈曲和后屈曲性能的影响

为研究侧边边界条件对复合材料加筋板压缩稳定性能的影响,首先采用有限元软件对压缩载荷作用下的复合材料加筋板进行建模数值计算,得到加筋板在侧边简支和自由2种边界条件下的屈曲载荷和形式,然后采用工程计算方法对加筋板轴压承载能力进行了估算,参考计算结果,分别对侧边有支持和侧边自由2组加筋板进行轴向压缩试验,分析侧边边界条件对试验件的屈曲形式、屈曲载荷以及后屈曲破坏过程的影响。试验结果表明：侧边支持条件会影响加筋板的屈曲形式和破坏形式。对于侧边有支持的试验件,屈曲后整体变形较小,筋条的压缩断裂是主要的破坏形式;而侧边自由的试验件屈曲后会逐渐出现整体弯曲变形,变形引起的筋条脱粘和弯曲断裂则是主要的破坏形式,且筋条脱粘会显著降低结构的承载能力。有限元计算结果与试验结果较吻合,验证了有限元模型的合理性。采用工程计算方法对侧边有支持的加筋板承载能力进行估算具有较好的精度。     

Finite element analysis with an improved failure criterion for composite wind turbine blades

Some interesting studies are made in this paper on the life management of a composite wind turbine blade. It presents the details of finite element modeling and validation, blade response under service loading conditions, power coefficient evaluation for the optimum design parameters of the blade configuration, development of failure envelope and fatigue life estimations. Finite element analysis results are found to be in good agreement with existing test results on a typical composite blade configuration. The failure envelope generated from the present modified failure criterion correlates well with the test results on different composite materials. The procedure adopted in this paper can be utilized for optimum design of large size composite wind turbine blades.     

含孔复合材料点阵夹层结构数值计算方法及其影响因素

针对含孔复合材料点阵夹层结构在面内压缩载荷作用下的失效模式及其影响因素问题,通过实验对含孔复合材料点阵夹层结构失效模式进行了研究;基于3D Hashin准则和Chang-Chang刚度退化准则建立了含孔复合材料点阵夹层结构有限元渐进损伤失效分析模型,并将计算结果与实验结果进行了对比;基于有限元分析方法探讨了开孔形状、开孔率以及开孔位置对其极限承载力的影响。结果表明:当点阵夹层结构面板厚度较大时,含孔复合材料点阵夹层结构的主要失效模式为面板圧溃;通过对比有限元计算结果和实验结果,极限承载力的最大误差约为12%,失效位置与实验结果一致;当点阵夹层结构的对称面与载荷方向平行且孔的中心在对称面上时,面内压缩强度与开孔位置无关,主要受到开孔形状和开孔率的影响;当点阵夹层结构对称面与载荷方向垂直且孔的中心在对称面上时,边距大于一个胞元,面内压缩强度基本不变,边距小于一个胞元,面内压缩强度下降。     

Investigation of combined stress state failure criterion for glass fiber/epoxy interface by the cruciform specimen method

The interfacial failure criterion under combined stress state in a glass fiber/epoxy composite is investigated by the cruciform specimen method. Experiments were conducted by using specimens with a fiber whose angle from the loading direction is varied in order to make various stress state of normal and shear at the interface. Finite element analysis is performed to calculate the interfacial stress distribution. By combining the experimental measurement of the specimen stress at the interfacial debonding initiation and the finite element stress analysis, it is possible to obtain the interfacial stress state at interfacial failure. A method to determine the interfacial failure criterion and the interfacial failure initiation location simultaneously is proposed in the present study. We conclude the value of the interfacial shear strength is higher than that of the interfacial normal strength for the material system used in the present study.     

REVITALIZING A SELECTIVELY HEAT TREATABLE STEEL PLATE WITH ULTRA HARD AND TOUGH LAYERS

A three-layered laminated metal composite possessing ultra hard and tough layers suffered cracking problems, such that its further development was halted. The cause of fracture was analyzed and determined to be the result of concentrating residual stresses along edges, especially at the corners of the plate. Using data on geometrical dimensions, material properties, and external boundary conditions, finite element analysis was employed to calculate the stress distribution. For reducing stress concentration on the edges, three possibilities were analyzed by finite element method. Results show that when the sharp corners of the rectangular composite plate are slightly rounded, the original concentrated tensile stress can be reduced by ∼20%, but this technique cannot achieve more than 35%. Another way that is more efficient is to chamfer edges, and the angle of chamfering did matter. Chamfering plus corner round-up did not yield further benefit.     

The Effect of Composite Patches on the Failure of Adhesively-Bonded Joints Under Bending Moment

In this study, it was aimed to compare mechanical behavior of double-strap joints with aluminum (AA2024-T3) or 16-ply laminate of carbon/epoxy composite (T300/934) patches of different orientation angles at their overlap area subjected to bending moment. For this purpose, AA2024-T3 aluminum was used as adherend, while the adhesive was a two-part paste (DP 460). Six different types of joint samples were subjected to bending moment. The effect of patch material on failure load and stress distribution was examined experimentally and numerically. In the numerical analysis, the composite patches were assumed to behave linearly elastic, while adherend and adhesive layers were assumed to be nonlinear. It was found that the data obtained from 3-D finite element analysis were coherent with experimental results. Meanwhile, experiments showed that fiber orientation angles of the patches markedly affected the failure load of joints, failure mode and stress distributions appeared in adhesive and composite.     

复合材料螺接修理结构参数化建模分析工具开发及验证

螺接修理在复合材料结构的临时性修理,尤其是战伤修理中应用较广泛。然而其修理设计过程较复杂,建模分析难度较大,难以满足工程快速定参的需要。本文针对含穿透损伤复合材料层合板的螺接修理问题,采用VB.NET结合p型有限元技术,开发了一套参数化的建模分析工具。分析工具通过界面读取修理结构的几何参数、螺栓布局、螺栓大小、载荷、材料属性等参数,自动创建有限元模型并进行求解。根据求解结果,分析工具可为用户提供修理结构的螺栓载荷、钉载比例、危险孔孔边应力等。另外,通过引入有限断裂力学,结合两级模型分析技术可预测得到修理结构的失效强度和失效位置。最后,采用典型算例对分析工具的有效性进行了验证。     

Failure analysis of a hybrid composite structural beam

The purpose of this study was to identify the failure mode of a particular composite structural beam developed for the civil infrastructure market and to develop a strength prediction that could be utilized in fatigue life predictions. First, a global–local finite element stress analysis is utilized to examine the possibility of compression failure. We then investigate the possibility of a delamination failure using a successive sub-modeling approach that allows detailed analysis of the inter-laminar stresses in regions of high stress gradients, including free edges and tapered laminates. The results of the analyses are compared with experimental test data from full-scale bending tests. The results indicate a compression dominated failure in the top flange in the vicinity of the load patch. This study highlights the difficulty in applying a stress-based approach to predicting delamination failure, particularly in complex laminated structures.     

分析复合材料螺栓连接接头静强度的一种方法

根据复合材料机械连接区逐点逐层破坏的物理本质,采用了每层破坏单元刚度退化和应力空间二阶张量破坏准则,用有限元素法,计算了T300/648碳纤维复合材料21种不同铺层情况的接头强度,分析了它们的破坏模式和破坏过程并与试验结果进行了比较.      

液体垫片对复合材料单搭接螺栓接头力学性能的影响

复合材料构件由于存在制造误差,装配时常常产生间隙,消除间隙的一种基本手段是向其中填充液体垫片。以复合材料单搭接螺栓连接接头为研究对象,设计了拉伸实验,选取一种改进的失效准则与对应的材料退化准则建立了渐进损伤有限元分析（FEA）模型,在此基础上研究了液体垫片对复合材料单搭接接头强度、刚度等力学性能的影响及复合材料孔内损伤演化的过程,此外还研究了液体垫片孔边的应力-应变状态。由实验与有限元结果可以得出：随着液体垫片厚度的增加,接头的拉伸刚度与峰值载荷均有所降低;相同载荷下复合材料孔内损伤加剧,孔内单元产生初始损伤时对应的载荷降低;但液体垫片厚度的增加可以降低垫片孔边的应力与塑性应变峰值,并使其分布更加均匀化,改善液体垫片孔边受力状态。