GLARE层合板抗低速冲击性能分析与数值模拟

采用不同冲击能量对玻璃纤维增强铝合金层合板(GLARE层合板)进行落锤低速冲击试验,得到了冲击载荷、位移和能量与时间的关系曲线。在不同冲击能量下,对层合板的冲击响应以及冲击过程中的损伤演化进行了分析。结果表明,不同冲击能量下基体压缩损伤面积随着冲击能量的增大而增大,而冲击能量相同时,受冲击面方向的第一、二层基体拉伸损伤面积远大于第三、四层,玻璃纤维/环氧树脂预浸料的铺层顺序以及方向是影响层合板抗冲击性能的主要因素。基于ABAQUS建立了GLARE层合板的低速冲击有限元分析模型,数值模拟结果说明:在低能量冲击时采用延性损伤准则作为铝合金材料的损伤判据是合理的。     

复合材料层合板低速冲击损伤阻抗性能影响因素研究

基于复合材料层合板的结构特点及典型损伤和破坏模式,建立了基于ABAQUS有限元软件的复合材料层合板低速冲击模型.与实验数据对比结果表明,该模型可以准确地模拟复合材料层合板低速冲击损伤阻抗特性.采用该有限元模型,研究复合材料层合板的铺层材料面内性能和铺层角度等参数对其在低速冲击作用下损伤阻抗性能的影响规律.分析结果表明,提高铺层纤维方向拉伸模量可明显提升其抗冲击损伤能力,在复合材料层合板中增加±45°铺层数量能明显提升其抗分层能力,而提高其它方向弹性模量对复合材料层合板低速冲击损伤阻抗性能的影响不明显.     

纤维增强复合材料层合板刚度退化研究

复合材料在许多领域都有着非常广泛的应用.基于复合材料层合板损伤理论,对纤维增强复合材料层合板在疲劳载荷作用下的刚度退化过程进行了阐述,对层合板刚度退化不同阶段的损伤机理进行了系统的分析,在此基础上总结了损伤各阶段的分析模型.通过对损伤机理的分析,综合考虑纤维断裂和基体损伤的影响,提出层合板刚度退化二阶段统一的计算模型.     

基于CDM的复合材料层合板插层补强强度分析

文章针对复合材料插层补强层合板损伤破坏问题,基于各向异性材料连续介质损伤力学方法,引入材料损伤状态变量对复合材料损伤情况进行描述,建立了复合材料插层补强三维非线性渐进损伤模型;利用该模型对复合材料插层补强层合板的损伤破坏进行了准确预测.重点对补强设计中插层材料铺层比例和补强半径两个设计参数进行了研究,得到了复合材料开口层合板理想的插层材料铺层比例及补强半径范围.     

风力机叶片复合材料雷击损伤特性研究

随着风电产业的快速发展,风机遭受雷击问题愈发突出,近年来国内外对此进行了大量研究.为了研究风机叶片在遭受雷击时材料的损伤机理和规律,采用了目前风机叶片最广泛使用的玻璃纤维增强复合材料(Glass Fiber Reinforced Polymers,GFRP)制成的层合板,在不同电流参数、材料厚度及材料铺层方式的条件下,开展了风机叶片人工雷击损伤试验.通过现场试验及总结分析,发现了纤维损伤面积与电流峰值及电流作用积分呈正相关,与材料厚度呈负相关的规律.同时,在[0°/±45°/0°]、[90°/0°]3层、[0°/90°]3层这3种铺层方式下,铺层方式为[0°/±45°/0°]的复合材料层合板损伤面积最小,显示了其铺层方式的优越性.     

玻璃纤维/环氧树脂复合材料层合板低冲击能量与凹坑面积关系探究

为探究不同铺层层合板低冲击能量与表面损伤的关系,对2种铺层方式、不同厚度的玻纤/环氧复合层合板进行了低能量冲击试验.采用超景深三维显微镜基恩士VHX-2000C观测层合板遭受冲击区域的板表面损伤形貌特征,根据板表面的损伤情况,探究冲击能量大小与损伤面积的量化关系.引入因子K,绘制2种铺层层合板在各冲击能量下K与凹坑面积的关系曲线,并给出冲击能量值的计算公式.通过实验验证,给出的关系曲线对判断初始冲击能量值具有较高的精确性.由于表面冲击损伤易于观测,因此,建立冲击能量与冲击凹痕之间的联系,更具有理论意义和工程指导意义,结合沈真的冲击能量门槛值研究,针对复合材料层合板的失效判断也具有参考价值,是损伤判断的一项新的研究途径.     

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.     

碳布增强木质层合板的有限元渐进损伤分析

为了提高复合材料的性能,以碳布增强木质层合板为样板,建立了有限元渐进损伤分析模型.采用Hashin失效准则和BK失效准则作为失效判断依据,并采用退化方法进行了试验分析.利用ABAQUS/Explicit软件进行参数化建模,并对层合板在低速冲击作用下的损伤进行预测分析.结果表明,与0铺层型层合板的分层面积相比,碳布增强型木质层合板的分层面积约减小了50%.冲击接触力的试验值和计算值吻合良好,验证了退化模型的可行性与有限元模型的有效性.     

含孔隙CFRP层合板冲击损伤试验

为了研究孔隙率及冲击能量对CFRP层合板冲击损伤容限性能的影响规律,对3种孔隙率的CFRP层合板试样分别进行3、6、9、12、15 J五种能量的冲击作用. 采用超声C扫描、金相显微镜、热揭层及目视等方法对CFRP层合板试样的冲击损伤进行检测. 试验结果表明:相同冲击能量作用下,孔隙率对凹坑深度及损伤投影面积均存在不利影响;冲击能量超过9 J后,随着冲击能量增加,凹坑深度快速增长,但是分层面积增长缓慢. 热揭层试验揭示了CFRP层合板冲击性能在冲击能量9 J前后发生突变的破坏机理,即当冲击能量超过9 J后,冲击能量由基体和纤维共同消耗转移为主要由纤维抵抗冲击能量.     

面内二维零膨胀混杂复合材料层合板设计

为使FRP结构在太空交变温度场下的热稳定性能要求,研究了面内二维零热膨胀混杂复合材料层合板设计理论.采用细观力学方法和经典层合板理论,分析层合板的纤维含量、混杂比及其铺层角等对层合板热膨胀系数的影响规律.建立了层内混杂复合材料层合板面内二维热膨胀系数设计理论.理论分析和实验结果表明,合理设计复合材料层合板的纤维含量、混杂比及其铺层,可以实现面内二维零膨胀.     

一种计及分层效应的复合材料层合板疲劳寿命计算方法

给出了一种求解多向铺层复合材料层合板自由边层间应力的简化方法，并在此基础上提出了计及分层损伤的多向铺层复合材料层合板疲劳寿命的计算方法；算例与试验结果对比表明，该方法可以提高复合材料层合板疲劳寿命计算值与试验值的吻合程度。     

不同孔隙率CFRP层合板冲击损伤分析

为了建立适用于织物纤维增强复合材料层合板的冲击损伤失效准则,在适用于复合材料单向板低速冲击失效准则的基础上,改进了纤维及基体破坏的失效准则.对于织物纤维增强复合材料层合板,分别考虑了经向纤维破坏、纬向纤维破坏、基体法向挤压破坏、分层破坏等冲击损伤形式.使用ABAQUS软件建立有限元模型,结合刚度突然退化模型,通过引入不同孔隙率复合材料的基本强度参数,较为准确地预测了不同孔隙率的织物碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的冲击损伤投影面积.     

树脂基复合材料固化过程中的温度和热应力场三维瞬态分析

建立了热固性树脂基复合材料固化过程温度和热应力场分析的数学模型,采用有限元方法,进行了三维非稳态数值求解。通过与已有实验结果的比较,验证了数学模型和计算方法的正确性。获得了3234/T300层合板固化过程中内部温度及热应力分布,分析了保温时间、升温速率、铺层设计等对温度、内部热应力的影响。数值计算结果表明:预固化时间越长,层合板内温度梯度越小,热应力峰值越低;升温速率越大,层合板内温度梯度越大,热应力峰值越大;采用对称铺层可降低层合板内部温度梯度和热应力。     

复合材料层合板低速冲击渐进损伤模型

建立了一种针对低速冲击下碳纤维增强复合材料层合板动态力学响应和损伤扩展的渐进损伤模型。该模型应用Hashin和Hou失效准则来预测层内损伤(纤维和基体损伤)的萌生;结合等效位移法的线性退化方案来模拟损伤的发展;采用双线性牵引力-分离法则的内聚区模型来预测层间分层损伤。编写了相应的用户材料子程序VUMAT,并在有限元软件ABAQUS中完成了25 J能量下复合材料层合板低速冲击的数值仿真分析。通过有限元模型预测得到的接触力-时间曲线、接触力-中心位移曲线、层间分层的损伤分布均与试验结果较好吻合,验证了该模型的有效性。根据仿真结果,分析了纤维和基体的损伤情况,讨论了分层损伤的扩展规律。     

玻璃纤维/不饱和聚酯复合材料板材的耐冲击性能研究

采用真空辅助树脂注塑(vacuum assisted resin infusion,VARI)成型工艺,按4种不同铺层方式制备玻璃纤维/不饱和聚酯复合材料层合板,研究了其铺层方式对试样冲击性能的影响.结果表明:0°/190°/0°/90°铺层试样的耐冲击性能优于其他3种铺层方式.     

复合材料层合板低速冲击后剩余压缩强度研究

应用有限元显式算法计算层合板冲击后压缩强度(CAI值)。建立实体单元与cohesive界面单元相结合的层合板有限元分析模型。首先进行层合板受离面低速冲击中损伤过程的数值模拟,再以该步分析结果(损伤状态)作为初始损伤,进行面内压缩下层合板破坏过程数值模拟。从而实现了层合板从冲击损伤到冲击后压缩破坏的全过程分析。模型应用面内和层间损伤逐渐累积的算法。通过不同加载速率下的分析,考察了显式算法在准静态CAI计算中的可用性。冲击损伤特征、冲击后压缩破坏特征及CAI的计算值与试验结果有良好的一致性,表明文中所采用的模型、算法与损伤处理方法是合理的。     

基于有限元模拟的碳纤维复合材料层合板拉伸失效机理分析

碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)具有高比强度、良好的耐腐蚀性,在汽车轻量化研究中受到很大重视。设计了三种不同铺层方式的碳纤维增强环氧树脂复合材料层合板(单向铺层([0°]₈),各向同性铺层([0₂/45₂/90₂/-45₂]_s),有取向铺层([0/45₂/90/-45₂/0₂]_s)),研究其拉伸破坏形式,并结合有限元模拟进行分析验证。结果表明,拉伸强度与模量主要取决于层合板中沿拉伸方向排列的纤维层数量占比,占比越高,拉伸强度与模量越大。不同角度铺层呈现不同破坏形式,断裂时0°层纤维与基体均发生破坏;±45°层与90°层断裂主要以基体开裂为主;层间结合较好的情况下,0°层和90°层会受到相邻±45°层的影响发生剪切破坏。有限元模拟结果与试验结果匹配度较高,为后续建立汽车零件级产品失效模式评估系统奠定了基础。     

UHMWPE/LDPE 层合板损伤声发射信号 聚类分析研究

为揭示UHMWPE/LDPE层合板损伤机理,运用声发射技术对源于基体损伤、纤维断裂、纤维/基体界面损伤 的声发射信号进行聚类分析。以距离为相似性测度,按分层聚类方法提取幅度、持续时间和峰值频率为模式特征, 并按k-means聚类算法实现UHMWPE/LDPE层合板声发射信号源机制的分类。实验结果表明,基体损伤、纤维断裂和 界面损伤等不同损伤机制产生的声发射信号,在幅度、持续时间和峰值频率等参数上不同,研究结果对UHMWPE/LDPE 层合板损伤模式识别具有参考价值。     

高低温交变湿热环境下外加载荷对不同孔隙率CFRP拉伸力学性能影响

通过高低温交变加速湿热循环试验及有限元模拟,研究了孔隙率和外加载荷对CFRP层合板湿热拉伸力学性能及界面破坏机理的影响.通过控制模压压力,制备出3种孔隙率的层合板;加载载荷分别为层合板最大弯曲载荷的30%、40%和60%.结果表明,孔隙率的增大是导致CFRP层合板湿热老化后拉伸性能大幅下降的主要原因,孔隙率越大,湿热拉伸强度下降越多.外加载荷能加速纤维与树脂基体界面脱粘,使材料湿热拉伸性能进一步下降,而且对不同孔隙率的层合板影响程度不一样,其中影响最大的是孔隙率为0.08的层合板,其次是孔隙率0.04的层合板,影响最小的是孔隙率为0.11的层合板.并且载荷越大,影响也越大,但其对材料湿热拉伸性能的影响远不如孔隙率的影响大.使用ABAQUS软件建立有限元模型,计算得到了层合板的各层拉伸应力分布,结果发现湿热循环导致90°层承受的拉伸应力上升,因此容易发生基体开裂及纤维/基体界面脱粘,导致力学性能下降,这一结果与试验结果相一致.计算得到的拉伸力学强度变化趋势与试验结果相一致.     

DYB-3航空有机玻璃风挡鸟撞数值模拟

运用LS-DYNA有限元软件模拟了鸟撞飞机风挡的过程,风挡模型采用Lagrange方法定义,建立4种鸟体力学模型,定义撞速为450~650km/h,撞击位置为风挡对称线前1/3点、中点、后1/3点.重点研究了不同鸟体力学模型、不同撞击点对风挡鸟撞响应的影响,并对比两种常见的风挡材料在鸟撞下的响应.结果表明:采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法和自定义材料的鸟体模型可以模拟鸟体高速撞击风挡呈流体状飞溅的过程,并能准确预测风挡的鸟撞动态响应;风挡前部抵抗飞鸟撞击能力最强,中后部较弱.DYB-3航空有机玻璃风挡在鸟撞仿真中表现出较高的耐冲击性.