基于多尺度方法的蜂窝夹层复合材料结构轴向压缩稳定性

为有效预测蜂窝夹层复合材料结构压缩失稳载荷和破坏模式,本文基于层压板宏细观多尺度数值分析模型,研究蜂窝夹层复合材料结构在轴向压缩载荷下的屈曲稳定性。基于改进的通用单胞理论模型,并结合ABAQUS用户自定义子程序接口,建立蜂窝夹层复合材料结构宏细观数值模型,预报蜂窝夹层复合材料结构失效载荷和破坏模式,并与试验结果对照,验证了模型的有效性。结果表明:通过本文建立的数值模型可以有效预测蜂窝夹层复合材料结构在压缩载荷下的失稳载荷和破坏模式,其一阶失稳载荷为128.12 kN,与试验结果误差为4.58%,蜂窝夹层复合材料结构破坏模式为先发生屈曲失稳,然后迅速破坏。      

飞机典型薄壁复合材料夹层结构整体屈曲

为了研究飞机机身无筋无框复合材料典型薄壁夹层结构在型号上应用的可行性,本文采用解析方法、有限元方法和试验方法对蜂窝夹层复合材料结构的面内压缩和剪切整体屈曲开展系统研究。基于经典层合板理论和工程解析方法推导蜂窝夹层复合材料的压缩和剪切屈曲载荷随试验件尺寸的变化规律。依据某型飞机机身典型结构分别设计压缩和剪切试验件尺寸大小、边界条件和加载方式。利用有限元商用软件ABAQUS对试验设计建立虚拟试验分析,对比验证解析方法和有限元方法的一致性。最后通过真实试验方法确定解析方法和有限元方法的有效性,并验证典型薄壁夹层结构的承载能力和破坏模式。结果显示,压缩试验结果失效模式与理论预测一致,故3种方法得到的结构整体失稳载荷相近,验证了理论方法的有效性;剪切试验结果发生局部破坏,故试验结果偏低,但有限元方法与解析方法所得结果一致,解析方法相对保守。     

结构参数对CFRP蒙皮-铝蜂窝夹层板低速冲击性能的影响

针对碳纤维增强树脂复合材料（CFRP）蒙皮-铝蜂窝夹层结构,使用半球头式落锤冲击试验平台进行了低速冲击载荷下蜂窝芯单元尺寸对夹层板冲击性能影响的试验探究,并基于渐进损伤模型、内聚力模型和三维Hashin失效准则,在有限元仿真软件ABAQUS中建立了含蒙皮、蜂窝芯、胶层的CFRP蒙皮-铝蜂窝夹层板精细化低速冲击仿真模型,仿真结果与试验结果吻合较好。利用该数值模型进一步探究了蜂窝芯高度、蒙皮厚度和蜂窝芯壁厚等结构参数对于蜂窝夹层板低速冲击吸能效果的影响。结果表明:增大铝蜂窝芯的单元边长,会减小蜂窝夹层板的刚度,提升夹层板的吸能效果;芯层高度对夹层板的刚度及抗低速冲击性能影响较小;增大蜂窝夹层板的蒙皮厚度,可以提高夹层板的刚度,但会降低夹层板的吸能效果;增大蜂窝芯的壁厚,可以提高夹层板的刚度和抗低速冲击性能。      

复合材料帽型加筋壁板的失效机制分析与改进设计

为了准确预测复合材料帽型加筋壁板的后屈曲承载能力,针对压缩载荷下筋条端头斜削的复合材料帽型加筋壁板结构的失效机制及失效载荷进行了研究。首先利用物理试验,研究了端头斜削的复合材料帽型加筋壁板失效过程,然后构建了考虑蒙皮/缘条胶接界面以及复合材料层板失效的非线性损伤分析模型,详细地研究了损伤起始、扩展和失效的全过程。在此基础上,提出了包覆层对蒙皮/缘条界面进行增强的设计方案,并基于数值仿真和试验研究了包覆层对复合材料帽型壁板的破坏模式和承载能力的影响。数值分析和试验结果表明,包覆层设计能够明显提高结构的屈曲载荷和后屈曲承载能力,分析结果与试验值吻合良好,且预测的破坏模式也与试验结果一致。     

褶皱缺陷影响L型层合板失效行为:实验和数值研究

通过实验和数值分析相结合的方法开展了褶皱缺陷对L型复合材料层合板承载能力和失效过程影响的研究。实验方面,通过“横条法”人为引入褶皱缺陷,制备了含两种缺陷大小的L型层合板,研究了其在弯曲载荷作用下的承载能力和损伤扩展形式,并与无缺陷L型层合板进行对比分析。数值分析方面,基于3D Hashin失效准则的渐进损伤失效模型, 研究其失效过程中应力分布特征和失效模式,探求褶皱缺陷对L型层合板失效行为的影响机制。实验结果表明,褶皱缺陷会显著降低曲梁的承载能力,并使分层损伤演化的空间扩展特征从无褶皱试样的逐层扩展转变为褶皱区域的聚集式扩展。数值预测与实验现象吻合,并共同表明褶皱处横向应力和面法线应力的集中是导致结构提前失效的主导因素,且褶皱区域的应力集中改变了损伤过程中应力逐层重分配的趋势,导致含褶皱试样呈现出聚集式扩展的破坏特征。该工作可扩展应用于含褶皱缺陷L型层合板的安全性能评估及损伤容限设计。      

高速冲击载荷作用下钎焊蜂窝夹层板动态响应

目的 以钎焊高温合金蜂窝夹层板为研究对象,分析其在弹丸高速冲击作用下的力学性能。方法 采用轻气炮冲击加载试验结合有限元模拟,对蜂窝夹层板开展不同冲击强度下的动态响应和失效研究。开展含高速冲击损伤的蜂窝夹层板侧压试验,研究损伤模式对剩余强度的影响。结果 冲击强度对夹层板的失效过程和失效模式有着明显的影响,当冲击条件不足以使得迎弹面发生侵彻时,夹层板失效为表面压痕损伤;随着冲击强度的提高,出现不同程度的局部芯层压缩;当冲击强度大于临界值时,迎/背弹面陆续被侵彻,夹层板出现侵入损伤及贯穿损伤。结论 高速冲击损伤使得蜂窝夹层板的侧压失效模式,由理想塑性屈曲转变为局部失稳,侧压极限载荷大幅降低。     

钻孔分层损伤对复合材料层合孔板压缩力学行为的影响

钻孔分层损伤对复合材料层合孔板的承载能力和失效模式有着显著的影响。通过实验和仿真相结合的方式,开展单一预制分层缺陷下、双分层缺陷同侧耦合及双分层缺陷异侧耦合作用下复合材料层合孔板的压缩承载能力及失效模式的研究。通过预埋聚四氟乙烯薄膜,制备了含单一圆形预制分层缺陷的碳纤维增强树脂复合材料开孔板试件,采用浸没式超声C扫和数字图像DIC技术分别对复合材料层合板损伤和法向变形进行检测,研究含不同尺寸预制分层开孔层合板在压缩载荷下的分层扩展及失效变形特征,进而揭示分层缺陷大小对其承载能力的影响机制。构建基于内聚力单元方法的含孔复合材料层合板数值模型,对比实验修正模型,探索了单一预制分层缺陷下碳纤维增强树脂复合材料开孔板的损伤扩展机制,并在此模型基础上开展双分层缺陷耦合作用下复合材料开孔板在压缩载荷作用下的屈曲变形、分层扩展和承载能力的数值预测和分析。实验结果表明：含单一圆形预制分层缺陷的碳纤维增强环氧树脂复合材料开孔层合板试件呈现出初始受压、局部屈曲、整体屈曲后破坏的失效模式,预制分层缺陷对复合材料孔板压缩力学性能有显著影响,随着缺陷的增大压缩承载能力逐渐下降。双分层缺陷耦合作用数值分析表明：双...     

外突褶皱及其打磨处理对层合板压缩失效行为影响

评估打磨处理对含外突褶皱结构承载能力的影响，是开展复合材料制造质量评定与制定装配策略的重要依据。本文采用实验与数值模拟相结合的方法研究了外突褶皱及打磨处理对层合板压缩失效行为的影响。实验方面，借助数字图像DIC技术监测加载过程表面应变分布，采用电子显微相机捕捉损伤过程，分析试样的压缩承载行为和破坏模式。数值模拟方面，采用Hashin失效准则与内聚力方法构建高保真度含褶皱层合板层内/层间失效分析有限元模型，探讨含外突褶皱及打磨褶皱层合板的应力分布特征及失效机制并分析褶皱高度对层合板压缩强度影响。结果表明：外突褶皱降低层合板压缩承载能力，而打磨处理会进一步降低层合板的承载能力与刚度。本文所建立的数值模型与实验结果吻合较好。对于外突褶皱层合板，层合板向褶皱凸起一侧屈曲，褶皱上方发生分层损伤并向端部扩展，纤维损伤从褶皱下侧铺层波谷处向其他层扩展；对于打磨褶皱层合板，主层板向褶皱凸起的相反方向屈曲，首先在打磨断层处发生面外拱起分层损伤，随后褶皱上方纤维层发生拱起断裂，纤维损伤向其他层扩展。随外突褶皱高度的增加，含褶皱层合板及打磨褶皱层合板的压缩失效载荷均显著降低。以上研究可为含外突褶皱复合材料结...     

碳纤维增强聚合物复合材料方形蜂窝夹层结构水下爆炸动态响应数值模拟

基于ABAQUS有限元仿真软件,建立了不同夹芯相对密度的碳纤维增强聚合物（Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP）复合材料方形蜂窝夹层结构在水中爆炸冲击波载荷作用下的仿真模型,分析了结构的变形过程、夹芯的压缩特性及结构的失效及破坏情况。数值模拟结果表明,CFRP复合材料蜂窝夹芯压缩量在前面板速度降至与后面板相同时达到最大; CFRP复合材料蜂窝夹芯的最大压缩量随着初始压力的增大呈先缓慢增大后快速增大的趋势,其增大趋势在夹芯接近完全压缩时又趋于缓慢; CFRP复合材料夹层结构失效随夹芯相对密度和初始压力的变化呈现不同的模式,且其防护性能优于等重的层合结构。研究结果可以为复合材料夹层结构在水中冲击波载荷防护中的应用提供参考。      

激光选区熔化成形铝合金板与CFRP复合材料层合板螺栓连接结构失效分析方法评估

对激光选区熔化成形(SLM)铝合金板与碳纤维增强树脂基(CFRP)复合材料层合板两列四排沉头螺栓单剪连接件在拉伸载荷作用下进行了数值分析和试验研究。基于渐进损伤法的三维有限元模型准确地预测了连接件材料损伤萌生和演变,对比试验和三维有限元所得钉载比例、极限载荷及失效模式,可以发现,通过拟合SLM铝合金板断裂应变和应力三轴度曲线,编写UMAT子程序引入韧性准则和Hashin失效准则的三维有限元模型预测的连接件失效载荷与试验值误差仅为1.9%,且失效模式均为净截面拉断,两者吻合,此方法可以满足工程精度要求。利用经过验证的数值模型,分别预测了SLM铝合金板和CFRP层合板损伤演变过程,并分析了SLM铝合金板刚度对连接结构失效模式的影响,当SLM铝合金板厚度增大到4mm时,连接结构失效模式由SLM铝合金板净截面拉断转移到CFRP层合板上。     

Failure mode maps for honeycomb sandwich panels

Failure modes for sandwich beams of GFRP laminate skins and Nomex honeycomb core are investigated. Theoretical models using honeycomb mechanics and classical beam theory are described. A failure mode map for loading under 3-point bending is constructed, showing the dependence of failure mode and load on the ratio of skin thickness to span length and honeycomb relative density. Beam specimens are tested in 3-point bending. The experimental data agree satisfactorily with the theoretical predictions. The effect of honeycomb direction is also examined. The concept of a failure mode map is extended to give a useful design tool for sandwich panels manufacturers and their customers.     

四边简支新型类方形蜂窝夹层结构振动特性研究

新型类方形蜂窝是六边形蜂窝的一种过渡形式,对其等效弹性参数和振动特性的研究具有重要意义。采用改进的Gibson公式对比分析了双壁厚与等壁厚类方形蜂窝夹芯的面内等效弹性参数的差异,并应用经典层合板理论分析了不同等效弹性参数下2种壁厚类型的四边简支类方形蜂窝夹层结构的振动特性,基于有限元仿真技术分析了不同壁厚类方形蜂窝夹层结构的振动特性,并与理论分析结果进行对比。结果表明等效弹性参数的数值模拟结果与理论值基本吻合。在蜂窝基本结构参数相同的条件下,双壁厚类方形蜂窝夹芯的面内等效剪切模量、面外刚度和等效密度均比等壁厚类方形蜂窝夹芯大;在低阶振动模态下,双壁厚类方形蜂窝夹层结构的固有频率比等壁厚类方形蜂窝夹层结构的低,在高阶振动模态下,双壁厚类方形蜂窝夹层结构的固有频率比等壁厚类方形蜂窝夹层结构的高;影响夹层结构固有频率的3个主要因素所占权重由大到小依次为蜂窝夹芯yoz面等效剪切模量、蜂窝夹芯等效密度,蜂窝夹芯壁厚。研究结果表明采用经典层结构理论计算得到类方形蜂窝夹层结构的固有频率与数值仿真结果的一致性较好,这进一步证明了采用改进Gibson公式得到的类方形蜂窝夹芯等效弹性参数的正确性,同时证明了将该振动理论运用到一般蜂窝夹层结构研究的可行性,为扩展研究其他类型蜂窝夹层结构振动特性奠定了基础。     

含雷击热-力耦合损伤复合材料层压板拉伸剩余强度预测

为了对含雷击热-力耦合损伤复合材料层压板的剩余强度进行预测,基于连续介质损伤力学法(CDM)和唯象分析法,建立了表征复合材料雷击热-力耦合损伤的刚度矩阵渐进损伤退化模型。基于该模型,通过ABAQUS有限元仿真软件,建立了含雷击热-力耦合损伤的复合材料层压板结构三维模型。结合UMAT子程序,完成了拉伸载荷下的剩余强度预测。结果表明:通过与试验对比,仿真结果与试验结果取得了良好的一致性。本文所建立模型,能够有效进行含雷击热-力耦合损伤复合材料层压板结构拉伸剩余强度预测。     

Simulation of delamination–migration and core crushing in a CFRP sandwich structure

Following the onset of damage caused by an impact load on a composite laminate structure, delaminations often form propagating outwards from the point of impact and in some cases can migrate via matrix cracks between plies as they grow. The goal of the present study is to develop an accurate finite element modeling technique for simulation of the delamination–migration phenomena in laminate impact damage processes. An experiment was devised where, under a quasi-static indentation load, an embedded delamination in the facesheet of a laminate sandwich specimen migrates via a transverse matrix crack and then continues to grow on a new ply interface. Using data from this test for validation purposes, several finite element damage simulation methods were investigated. Comparing the experimental results with those of the different models reveals certain modeling features that are important to include in a numerical simulation of delamination–migration and some that may be neglected.     

Compressive and flexural properties of biomimetic integrated honeycomb plates

The characteristics of honeycomb plates composed of an upper and lower lamination are employed to create a novel single-sided bonded honeycomb plate (SBHP) design, and the compressive and flexural properties of these biomimetic integrated honeycomb plates are investigated. The results demonstrate that even during the fracturing of the honeycomb plates (honeycomb core), no abrupt compression paralysis occurs (which would cause the load to decrease rapidly); furthermore, our honeycomb plates exhibit superior compressive properties compared to biomimetic sandwich plates manufactured using Zhang’s needle-injection method. The interfacial bonding surface and bonding quality have no significant effect on the flexural stiffness but do affect the failure modes and flexural failure strength of the honeycomb plates. The ultimate failure of the biomimetic integrated honeycomb without a bonding layer between the panel–core layers is determined by the material strength itself; therefore, the honeycomb possesses good mechanical properties. This experimental study confirms, for the first time, the effectiveness of the biomimetic integrated honeycomb structure manufacturing method.     

Failure load prediction of laminates repaired with a scarf-bonded patch using the damage zone method

The damage zone method (DZM) is an efficient way to predict the failure of composite structures with a minimum of real testing. Particularly, it is useful when the failure mechanism is too complicated to be accurately analyzed by a merely numerical method. The aim of this study was to use the damage zone model to predict the failure load of repaired laminates, in which scarf-bonded joints were used for repair. The model uses a test-based critical damage zone and stress-based failure criteria. A total of 45 carbon-epoxy composite (USN) laminate scarf-repaired specimens were first tested with two different defect sizes, four scarf angles, and three overlap layer sizes. The Tsai-Wu and Tsai-Hill criteria were used for the laminate, and the maximum shear stress criterion for the adhesive was adopted to predict failure onset. The predicted failure loads were compared to test results and a good agreement was obtained with a 9.2% maximum deviation for almost all parameters with the exception of a case with an unrealistically large scarf angle. To verify the feasibility of the DZM for different material, additional 30 repair specimens using other unidirectional carbon-epoxy laminate were then also tested and the predictions were confirmed by the results of the experiment.