记及压应力的内聚力单元及其厚度对复合材料分层损伤预测的影响

内聚力单元可以同时预测分层的起始和扩展,但单元尺寸对计算结果影响较大,而且无法模拟压应力导致的界面失效。首先,建立不同内聚力单元计算厚度的双悬臂梁模型、端边加载模型和冲击动力学模型,模拟分层损伤演化过程,研究内聚力单元厚度对载荷-位移曲线和界面损伤面积的影响;然后,通过子程序自定义内聚力单元的本构关系,考虑压缩应力引起的复合材料层间界面失效;最后,分析考虑压应力引起的界面层失效对复合材料冲击响应的影响。计算结果表明:内聚力单元厚度对界面层的损伤面积影响明显;相同的载荷条件下,内聚力单元厚度越大,界面损伤面积越小;考虑压缩应力引起的界面层失效,界面损伤面积较大且界面失效包含压缩和剪切两种失效模式。     

胶层Ⅰ/Ⅱ型断裂破坏内聚单元参数的确定和应用

建立了铝合金板单搭接胶接接头的三维弹性有限元模型,通过与G-R解析模型的胶层剪应力和剥离应力分布对比分析,验证了有限元模型的有效性。经有限元仿真拟合铝合金板单搭接胶接接头静拉伸试验的载荷-位移曲线,获得了胶层Ⅰ/Ⅱ型混合失效模式下内聚力单元的断裂参数值和胶层渐进破坏的过程,将胶层内聚力单元断裂参数值应用于含双裂纹复合材料胶接修补结构中,预测了修补结构的静拉伸强度。结果表明,有限元模型预测的剩余强度与实验值的相对误差为3.8%,因此运用内聚力单元仿真胶层的方法是有效的,并为复合材料胶接修补结构的承载能力分析提供了有力的依据。     

复合材料L型接头的损伤与破坏模式研究

建立了渐进损伤模型模拟接头失效,模型中采用改进的Hashin损伤准则及Apalak刚度退化模拟L筋条及蒙皮的损伤和渐进失效,胶层失效通过内聚力单元进行模拟,并预估L型接头的最终破坏载荷。结果表明:建立的渐进失效模型可以较准确地模拟L型接头的拉伸破坏过程,L型接头的失效主要包括胶层的开裂、填充区底部基体的拉伸破坏和蒙皮层的分层破坏。     

陶瓷涂层结构优化及失效机理的研究现状

陶瓷涂层以其优异的耐磨损、耐高温、耐腐蚀等性能表现出巨大的工程应用前景。但是,在服役过程中因温度变化和受力诱发的裂纹产生、扩展,甚至导致涂层开裂、剥落及失效,这些因素限制了涂层的应用,因此通过结构优化改善陶瓷涂层的抗开裂、剥落性能较为重要。本文首先论述了纳米结构涂层、耐磨多层涂层、复合涂层的失效机理及其结构优化。提出了利用单次喷涂制备粘结层和陶瓷层的方法,通过该方法可以消除陶瓷层与粘结层间的界面形态,提高涂层的断裂韧性、粘结强度。最后展望了陶瓷涂层在材料组分设计和工艺优化研究中应重点关注的方面。     

复合材料胶接单搭接连接强度与失效模式研究

以Tserpes失效准则及其材料性能退化准则为基础,利用ANSYS建立几何模型进行有限元分析,针对模型进行相应的试验验证,以探究各参数对复合材料胶接单搭接连接强度的影响,并得到不同参数下的胶接失效模式。结果表明:复合材料与复合材料单搭接的强度高于钛合金与复合材料单搭接的强度;随着胶接长度、胶接宽度的增大,胶接接头的连接强度呈现先增大后减小的趋势;同时发现,在静拉伸过程中,钛合金与复合材料单搭接的失效模式主要为胶层的粘附破坏,复合材料与复合材料单搭接的失效模式主要为混合破坏,表现为复合材料紧邻胶层的第一层和第二层发生铺层基体开裂与分层破坏,同时胶层发生部分粘附破坏。     

CFRP层合板冲击后压缩失效分析数值模拟

复合材料层合板的损伤容限是复合材料结构设计的关键因素。针对碳纤维增强复合材料(CFRP)层合板低速冲击损伤和压缩破坏问题,本文基于连续损伤力学和粘结单元模型,在ABAQUS中对两种不同冲击能量下的层合板进行了低速冲击和冲击后压缩仿真分析,并对层内和层间损伤进行了研究,分析了层合板的冲击损伤与压缩失效行为,通过与试验结果进行对比,验证了该模型的有效性。研究结果表明:冲击损伤对层合板的剩余压缩强度有着重要影响,试件的破坏开始于冲击损伤区域,并逐渐扩展到层合板的边缘,压缩力快速下降,层合板最终失效。     

复合材料帽型加筋板界面应力与失效模拟

基于内聚力模型,采用界面单元模拟筋条和蒙皮之间的粘接界面,建立了复合材料帽型加筋板结构的有限元模型,探究了复合材料帽型加筋板在四点弯曲载荷作用下的界面应力和脱粘失效问题。结果表明,胶层脱粘是复合材料帽型加筋板的主要失效形式,脱粘失效主要受剪应力的影响,脱粘导致加筋板承载能力下降,加剧了整体结构的损伤。     

玻璃纤维二维平纹编织复合材料高温弯曲力学行为研究

对玻璃纤维2维平纹编织复合材料在6个不同温度下的弯曲性能进行了实验测试,研究了温度对编织复合材料层合板的载荷-挠度曲线、弯曲强度、弯曲模量和失效模式的影响。结果表明:在三点弯曲载荷作用下,2维编织复合材料层合板跨中发生了局部纤维束屈曲失效和基体的开裂与分层失效。温度对玻璃纤维复合材料的力学性能和失效形式产生了重要影响。在高温环境中玻璃纤维2维平纹编织复合材料的弯曲力学性能迅速下降,当试验温度从20℃升高至115℃时,层合板的弯曲强度和模量分别下降了91%和66%。随着温度的升高,2维编织复合材料层合板的弯曲失效变形行为也发生了转变,逐渐由脆性破坏转变为塑性变形失效。     

粘聚区模型在复合材料层间失效分析中的研究现状

复合材料已被广泛应用于各个领域,分层破坏是复合材料主要的破坏形式之一。对复合材料分层失效分析中主要的方法粘聚区模型进行详细的阐述。首先介绍了粘聚区模型发展历史、界面强度参数和本构关系的研究现状并对存在的问题进行了分析,然后对该模型在复合材料层间失效分析应用现状进行了阐述,重点分析了该模型在有限元应用中存在的问题。研究表明,近年来,CZM已逐步成为复合材料分层失效研究的主要方法,但在应用中需要解决强度参数确定准确性、计算收敛困难和计算效率不高等问题。     

内聚力模型参数对不同应力状态下粘接接头失效的影响

内聚力模型参数是影响粘接接头失效仿真分析的主要因素.本文基于内聚力单元建立碳纤维增强基复合材料(CFRP)/铝合金单搭接接头和对接接头的仿真分析模型,并通过试验验证其仿真精度.选取了内聚力单元的六个参数,即杨氏/剪切模量、模式Ⅰ/Ⅱ失效强度和模式Ⅰ/Ⅱ断裂韧性,采用单因素试验方法和正交试验方法设计试验方案,研究了内聚力...     

金属基聚合物复合材料短纤维桥接界面强化机理

针对金属基聚合物复合材料易诱发界面剥离损伤失效的共性问题,研究了通过多层复合组装注射成型,在聚合物复合层与粘接层界面形成短纤维桥接,实现复合界面强化.基于内聚力剥离损伤模型,构建了短纤维桥接强化界面剥离裂纹扩展断裂失效过程的模拟仿真技术,模拟建立了界面剥离裂纹快速失稳扩展断裂损伤失效临界载荷—桥接纤维特性—界面剥离断裂...     

燃气流作用时间对玻璃钢层间剪切强度的影响

研究了不同燃气流作用时间对玻璃钢层间剪切强度的影响。研究结果表明:随着燃气流作用时间的延长,玻璃钢表面碳化失效层数呈增加趋势;未烧蚀部分复合材料层间剪切强度虽有降低,但是降低幅度不大,说明表面的玻璃布层碳化失效对深层复合材料层间剪切强度影响不大;烧蚀后复合材料断裂模式由韧性转变为脆性。该研究结果为玻璃钢在燃气流环境中的应用提供了重要的数据支撑。     

模压成型工艺参数对CF/PEEK复合材料Ⅰ型层间断裂韧性的影响

连续碳纤维增强聚醚醚酮(CF/PEEK)复合材料是重要的医疗器械及航空航天热塑性复合材料,可采用模压成型工艺制备层合板及结构,其工艺参数影响复合材料力学性能。本文主要考察了模压成型温度、压力以及降温速率等参数对CF/PEEK复合材料Ⅰ型层间断裂韧性(GIC)的影响规律,并通过扫描电镜表征复合材料撕裂面的微观形貌,分析材料失效模式。较高的模压成型温度可提高基体分子链流动性,适中的成型压力有利于控制树脂不被过多挤出模具,适中的降温速率可降低结晶度并抑制界面粘结强度的损失,均有利于提高CF/PEEK复合材料的GIC。     

增韧复合材料的G_Ⅰ断裂韧性有限元模拟

采用Abaqus有限元仿真软件建立二维壳单元模型以及内聚力模型,运用双线性本构模型以及二次名义应力准则,对以聚酰亚胺为增韧层的复合材料进行GⅠ断裂韧性模拟,同时通过改变法相刚度、能量释放率等参数探讨对复合材料性质的影响。结果表明,模拟结果与实际情况在曲线趋势上大体一致,随着能量释放率的增大,层间韧性也随之增大,主要是纤维的抽拔、断裂等塑性屈曲对能量的吸收所致。而法相刚度对于层间失效后的脆性断裂影响显著,较大的法相刚度会导致载荷-位移曲线上下波动较大,呈现出层间脆性特性。     

一种失效准则在面外载荷下含孔层合板的应用

开孔和面外弯曲会引起层合板局部应力过高,导致局部基体开裂、纤维断裂以及层间分层等失效模式。本文采用解析法和有限元法相结合的方法,对开孔无限大层合板的孔边应力进行研究。基于经典层合板理论和复变函数理论对复合材料平板在面外载荷作用下进行孔边应力分析,通过保角变换,解决应力函数在复杂孔形边界上的问题;引入Puck和Yamada-Sun混合强度失效准则,对层合板刚度进行迭代,研究了带孔复合材料平板孔边真实应力应变分布,并与有限元结果进行了对比,吻合较好。本文工作以期能对开孔层合板的失效预测提供指导。     

复合材料沉头搭接强度与渐进损伤研究

基于三维渐进损伤理论,引入Tserpes失效准则及其改进的材料性能退化准则,建立复合材料沉头搭接结构的有限元模型。在试验验证数值仿真模型正确性的基础上,探讨了端距、板宽及拧紧力矩对接头强度的影响,并对搭接接头从初始损伤到最终失效的过程进行可视化模拟。结果表明,端径比由2到4、宽径比由3到5、拧紧力矩由0到5.9 N·m的过程中,接头强度明显增强,超过上述范围,强度增加不明显或不再增加。在静拉伸过程中,2号钉孔处复合材料板的损伤程度要比1号钉孔处严重,且2号钉孔的损伤扩展导致接头最终失效;90°铺层最先产生损伤,其类型主要为基体开裂,0°铺层损伤情况最弱,±45°铺层沿着-45°方向产生基体开裂,随后沿板宽方向产生大量纤维断裂。     

三维纺织预型件织物

在现有的制备工艺中,具有一定厚度的复合材料通常由若干层单层织物经铺设而成。由于织物层间缺乏有效的增强,在动载荷作用下,层间剥离是这种结构复合材料的主要失效形式之一。提高复合材料层间断裂韧性有多种方法,如采用高性能热塑性树脂、优化复合材料界面微结构以及利用具有三维结构的纺织预型件加工复合材料制品等,其中后面一种方法由于具有仿型加工和结构整体性的特点,而被认为是顺应当前复合材料制造发展趋势的新方法,此外,这种方法容易实现工艺自动化,有成本低的潜在优势,对于制件的加工重复性,提高韧性及损伤容限,这种方法也有着十分重要的意义。目前,用于复合材料领域的三维纺织预型件主要有：正交织物、多层机织物、多层针织物、编织物和缝合织物等。近期国内外对上述产品的盛开开发证明,这是提高复合材料层间抗剪切强度和降低生产成本的有效前途。     

复合材料螺栓连接渐近失效分析

为了研究预紧力和摩擦系数对复合材料螺栓连接强度的混合影响及其机理,使用ANSYS软件建立了复合材料层合板单钉连接的三维有限元模型。采用渗透接触法来模拟螺栓的预紧力,考虑各组件之间的接触摩擦和结构二次弯曲的影响,使用改进后的三维Hashin失效准则和Camanho退化模型,对复合材料单钉连接进行渐进失效分析。数值模拟结果与文献中的实验结果吻合良好。分析结果表明,增大接触面的摩擦系数和施加合适的预紧力均能提高接头强度。摩擦系数小时,通过增加预紧力来提高接头强度的效果不明显,反而使复合材料容易发生基体开裂。在施加预紧力的同时应综合考虑摩擦系数的大小。     

氧化铝纤维/氧化硅气凝胶/石墨纸多层缝合柔性隔热材料制备及隔热性能研究

氧化铝纤维纸与石墨纸间隔设置,各层之间使用磷酸铝粘结形成氧化铝纤维/石墨复合层,进一步与氧化硅气凝胶粘结。将碳纤维布置于复合层的两面,使用碳纤维绳缝合成为一个整体,并在试样表面进行抗氧化处理。利用单面氧乙炔烧蚀法对制备得到的材料进行隔热性能测试,并使用扫描电镜观察复合材料表面、截面形貌,研究烧蚀过程中材料的微观组织演变。结果表明,控制试样表面温度为1600±50℃,持续时间为540秒时,复合材料冷面温度为80±10℃,试样整体无开裂分层现象。碳纤维直径变化较小,提高了氧化铝纤维层与石墨层Z向纤维体积分数及层间剪切性能。在热冲击考核过程中,抑制了分层损伤扩展,有效减缓了层间开裂,保证了隔热材料的结构整体性。     

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.