面外波纹对复合材料层合板弹性性能的影响

基于经典层合板理论（CLT）,提出一个多参数解析模型,定量研究了面外波纹缺陷对含波纹缺陷的复合材料层合板弹性模量、剪切模量和泊松比等弹性性能的影响。 结果表明:面外波纹对主弹性模量、Z向弹性模量、X - Z平面剪切模量和面内泊松比都产生了显著影响;对于碳纤维/环氧树脂材料体系算例,在特定波纹比和波纹区域范围内,面内泊松比出现了负值。该建模方法为研究波纹缺陷对复合材料层合板弹性性能影响提供了参考。      

含纤维波纹缺陷复合材料层合板的损伤分析

纤维波纹是复合材料层合板制备过程中的一种常见缺陷,会导致其刚度和强度显著下降,有效地预测含波纹缺陷复合材料层合板的失效强度具有显著的意义。基于此,本文采用解析的方式分别构造了纤维波纹呈正弦起伏与余弦起伏状的复合材料层合板模型。利用该模型,以Tsai-Wu准则作为失效判据,研究了一种含纤维波纹的碳纤维/环氧树脂复合材料层合板在受压情况下的损伤演化过程,得到了碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的初始损伤强度。与有限元方法计算得到的损伤位置和损伤强度非常吻合,验证了本文算法的正确性。另外,相比于有限元方法,本文所述计算方法具有模型构造简单、计算效率高等优点,便于快速分析和确定含纤维波纹缺陷复合材料层合板的损伤位置与损伤强度。      

考虑面内载荷的复合材料层合板冲击性能

考虑面内初始载荷作用,开展复合材料层合板高速冲击响应与损伤特性研究。设计一种面内拉伸/压缩/剪切初始载荷施加装置,结合气炮试验装置,提出一种初始载荷复合材料高速冲击试验方法,针对X850/IM+和M21C/IMA两种牌号复合材料层合板开展高速冲击试验。结果表明:面内初始载荷对复合材料层合板高速冲击响应和损伤特性有显著影响;相比无初始载荷冲击情况,面内拉伸载荷作用提高了结构抗弯刚度,使冲击剩余速度提高,穿透速度降低,分层损伤面积减小;而面内压缩载荷则反之。      

含矩形边缘分层缺陷层合板的压缩性能

对含矩形边缘分层缺陷层合板的压缩性能进行试验研究和理论分析, 考察了层合板厚度(含铺层形式)、 分层位置、 形状、 面积以及环境等因素对压缩强度的影响, 并采用分层扩展以及软化夹杂两种模型对含分层层合板的压缩强度进行了计算和破坏机理分析。结果表明: 厚板对边缘分层缺陷不敏感, 中等厚度和薄层合板比较敏感; 缺陷的位置和形状对层合板压缩强度有一定的影响; 湿热环境改变了含缺陷板的压缩破坏机理, 并对中等厚度板和薄板的压缩强度有明显的影响。两种模型中软化夹杂模型效果较好, 可用于工程设计计算。      

考虑纤维面外起伏的变刚度层合板优化策略研究

针对变刚度层合板在自动铺放制造过程中因间隙/重叠缺陷产生大量纤维面外起伏缺陷的问题,提出采用铺层偏移法与断送纱策略两种铺层优化策略来进行变刚度层合板的铺层设计,在研究过程中同时引入考虑间隙/重叠缺陷建模的方法。根据变刚度层合板铺层的特点提出缺陷重复单元的概念,通过对缺陷重复单元的分析来反映纤维面外起伏的影响,并提出通过纤维面外系数来表征变刚度层合板的纤维面外起伏尺度,最后对不同优化策略的变刚度层合板的屈曲性能进行分析。研究表明:基准设计方案、铺层偏移法与断送纱策略所对应的纤维面外起伏系数为0.83、0.95、0.93,所提出的优化策略对变刚度层合板的纤维面外起伏尺度有着明显的抑制作用。铺层偏移法优化后的[±<50/65>]_6s变刚度层合板最大厚度超差为33%,所对应的屈曲载荷为9117.1 N,屈曲载荷提升17.6%;断送纱策略优化后的[±<50/65>]_6s变刚度层合板最大厚度超差为50%,所对应的屈曲载荷为9716.3N,屈曲载荷提升25.3%。      

含缺陷的复合材料层合板低速冲击过程的有限元模拟

用自编的动态有限元分析程序APIC 对含缺陷的复合材料层合板的冲击损伤问题进行了模拟计算。该程序采用三维20 节点超单元分析了复合材料层合板内的应力分布, 通过修正后的C. T. Sun 的接触定律建立了冲击物和层合板的运动状态与冲击接触力之间的关系, 采用Wilson-θ法求解层合板和冲击物的运动微分方程。在处理层间分层缺陷问题时, 采用拉格朗日乘子法使预制分层缺陷界面上满足不可互相贯穿条件。对本文中的计算结果和试验结果进行比较表明: 模拟计算结果与试验结果有良好的一致性。相对于无缺陷层合板, 含预制分层缺陷的复合材料层合板在分层部位遭受冲击时, 分层缺陷对冲击损伤扩展有一定的抑制作用。      

无限大单向加筋层合板隔声性能研究

基于经典层合板理论,计及加强筋弯曲及扭转运动影响,建立无限大单向加筋层合板在平面声波激励下的声透射理论模型;应用空间谐波展开与虚功原理,推导出单向加筋层合板传声损失公式,并与解析解及简化模型计算结果对比,验证所建模型的精度及有效性;系统研究特征参数对加筋层合板结构隔声性能影响。研究表明：增加层合板铺设角度对结构隔声性能不利,材料损耗因子只影响结构共振频率处隔声性能;增大加强筋间距,加筋层合板结构低频段隔声性能下降明显,但全频段隔声性能有所改善;声波入射角度对单向加筋层合板隔声性能影响显著,结构对垂直入射声波隔声效果最好。     

分层缺陷深度对复合材料层合板力学性能的影响

通过对含分层缺陷的复合材料层合板进行压缩、弯曲以及拉伸试验,研究了分层缺陷深度对层合板力学性能的影响;对影响层合板力学性能的因素进行定性分析,得到了层合板力学性能随分层缺陷深度的变化规律。结果表明：分层缺陷深度对层合板的抗压、抗弯强度有直接影响,而对抗拉强度的影响十分有限。     

基于刚度退化的复合材料层合板疲劳损伤模型的研究进展

介绍了复合材料层合板的疲劳损伤演化机理,总结了复合材料损伤扩展的变化规律,分析了复合材料疲劳损伤模型的影响因素,并回顾了基于刚度退化的复合材料层合板疲劳损伤模型的研究进展,最后展望了复合材料疲劳损伤性能的进一步研究方向,指出湿-热-力的耦合作用对复合材料性能的影响是未来研究方向之一.     

基于三维梁理论的复合材料层合管等效抗弯刚度

针对任意铺层形式和任意壁厚复合材料圆形层合管件,提出一种等效抗弯刚度的计算方法。此方法采用符合复合材料圆形管件梁真实变形的变形理论,考虑横向剪切变形,非均匀扭转效应,主、次挠曲效应和层合材料的三维弹性效应,按照壳壁中实际应力状态,建立了复合材料圆形管件等效抗弯刚度的计算模型。通过与4种铺层管件的三点弯曲实验结果以及经典层合板理论计算的等效抗弯刚度进行对比,验证了计算模型的正确性。通过退化与各向同性材料抗弯刚度的计算方法进行对比,分析了计算模型的适用性。      

多层级蜂窝材料面内模量对孔壁弯曲的缺陷敏感性

为提升蜂窝材料的抗缺陷能力,在正六边形、Kagome和正三角形蜂窝材料的孔壁表面附着软材料层,制备了多层级蜂窝材料。然后针对孔壁弯曲缺陷类型,使用解析方法研究了蜂窝材料面内模量的缺陷敏感性和力学性能,并用数值模拟对理论值进行了验证。结果表明:通过选择合适的附着软材料层与几何参数,可使得多层级蜂窝材料比传统蜂窝材料对缺陷有更高的抵抗能力,表现出较低的缺陷敏感性。另外,在保持相对密度不变的前提下,多层级蜂窝材料的力学性能与传统蜂窝材料的相比也有较大提高。研究结论为设计制造具有抗缺陷能力的新型蜂窝材料提供了理论基础。     

缝合复合材料层板三维纤维弯曲模型及压缩强度预报

提出了三维纤维弯曲模型, 基于有限元法和周期性边界条件建立了缝合层板压缩强度分析方法, 采用桥联模型和最大应力判据分析损伤扩展并获得压缩强度, 预报结果与试验吻合较好。详细探讨了缝合参数对层合板压缩强度的影响规律, 结果表明: 缝合方向与表面纤维方向一致时, 较小的缝合针距和行距、较大的缝合线半径对压缩强度较为有利; 缝合方向与表面纤维方向垂直时, 较小的缝合针距和缝合线半径、较大的缝合行距对压缩强度较为有利。      

复合材料层压板剩余刚度剩余强度关联模型

基于剩余强度和剩余刚度取决于同一损伤状态的假设,给出了基于剩余刚度的损伤定义和基于剩余强度的损伤定义之间的关系,建立了剩余刚度剩余强度关联模型。用3种不同铺层形式的层压板试验数据对本文中提出的剩余刚度模型及剩余强度模型进行了验证,结果表明:本文中提出的剩余刚度和剩余强度模型能很好地描述复合材料层压板疲劳过程中的剩余刚度和剩余强度退化规律;通过关联模型,可以在已知剩余刚度退化规律的前提下,用少量剩余强度试验确定剩余强度退化规律;与剩余刚度关联的剩余强度模型中的参数可以被认为是材料常数。      

Fracture of fatigue-loaded composite laminates

While the quasi-static fracture load of many composite laminates can be estimated with engineering accuracy, the fracture event itself has not been clearly characterized and is incompletely understood. When cyclic loading is present, the pre-fracture damage state is altered significantly, so that estimating strength (or residual strength) is greatly complicated. The present paper examines this complexity and attempts to assess the manner in which pre-fracture fatigue damage affects residual strength and the fracture event. It is found that the large strength reductions observed prior to failure at low load levels can be accounted for by internal stress redistribution and material degradation events. A careful chain of physical evidence in support of this approach is presented.     

考虑多尺度界面力学特性的损伤复合材料层合板分岔屈曲性能的等代化

提出了一种等效理论来分析含损伤碳纤维增强树脂T300/QY8911复合材料层合板的分层屈曲。针对含贯穿脱层层合板产生面外弯曲后的受力特点,引入损伤界面的接触效应,根据精确模型所给出的多尺度变形失效机制,提出了一个基于刚度等效理论来分析损伤层合板结构失效的力学性能。通过将含脱层的区域等效成一个几何形状和铺设方式完全一致,但刚度相应折减的完善子板,运用三分区模型,根据板壳理论、复合材料力学等基本原理建立各子板的屈曲控制方程,同时结合边界条件和连续性条件求解。算例分析表明,本文所得的屈曲荷载与考虑接触效应精确模型所得的解析解及ABAQUS有限元结果高度吻合。该研究方法充分考虑了脱层带来的刚度降低以及由于分层界面处非线性抗穿透约束的影响,不仅大大简化了繁琐的推导过程和节省了计算量,而且揭示了深层次的力学机制,更为主要的是,该方法可以有效推广到含多分层损伤层合板的非线性力学性能的评估,为航空航天先进复合材料的结构设计和力学分析提供有力的技术支持。      

弯剪复合载荷作用下复合材料层合板屈曲的强度校核方法

基于复合材料各向异性板的大挠度方程，采用Ritz法和最小势能原理推导出了正交各向异性复合材料层合板在面内弯曲载荷作用下临界屈曲弯矩的解析解；给出了面内弯剪复合载荷作用下复合材料层合板屈曲的强度校核方法，并将本文方法所得结果与用有限元法（FEM）所得结果进行了比较。结果表明，本文方法与有限元方法相吻合，并且形式简洁，便于工程应用。     

Modeling nonlinear rate dependent behaviors of composite laminates

Abstract

This study aims to propose a simple explicit model for predicting the nonlinear rate dependent behaviors of composite laminates. Using one parameter plastic potential to describe the flow rule, the viscoplasticity model is expressed as a single master effective stress‐effective plastic strain curve in the form of a power law with a rate dependent amplitude. Based on the viscoplasticity model together with the laminated plate theory, the incremental form of the constitutive formulation is derived to model the nonlinear rate dependent behaviors of composite laminates. Symmetric glass/ epoxy and graphite/epoxy composite laminates were tested at three different strain rates and the experimental results were then compared with the model predictions. It was indicated that the proposed constitutive model is effective in characterizing the nonlinear rate dependent behaviors of composite laminates at strain levels up to 1%.