碳纤维增强树脂基复合材料组分疲劳强度表征

对微观力学失效（Micro-mechanics of failure,MMF）理论的应用做了扩展,将其用于分析连续纤维增强树脂基（FRP）复合材料的三维复杂结构的疲劳强度。基于MMF理论,建立了连续FRP复合材料层合板疲劳强度表征方法。分别对碳纤维/树脂（UTS50/E51）复合材料单向层合板进行静载和疲劳试验,得到层合板的基本力学性能和宏观强度指标;对UTS50/E51层合板组分疲劳强度进行了表征,得到了纤维和树脂的拉伸、压缩MMF疲劳特征参量S-lgN曲线,为MMF方法应用于连续纤维增强复合材料层合板结构的疲劳强度分析提供了判断依据。使用建立的方法对UTS50/E51多向层合板的拉伸疲劳强度进行了分析,并将预测结果与试验结果进行对比。     

基于宏微观分析的碳纤维增强高分子复合材料强度性能表征

微观力学强度理论(MMF)是一种新型的基于物理失效模式的复合材料强度理论。通过对碳纤维/树脂(UTS50/E51)复合材料单向层合板进行纵向、横向静载拉伸、压缩和弯曲试验, 得到层合板的基本力学性能和宏观强度指标。建立了碳纤维增强树脂基复合材料微观力学模型, 获取树脂基体和纤维不同位置的机械载荷应力放大系数和热载荷应力放大系数。结合获取的应力放大系数及试验测得的单向层合板宏观强度, 计算出层合板组分的MMF强度特征值。绘制了基于MMF强度理论的层合板破坏包络线, 并与Tsai-Wu失效准则预测结果进行对比。实现了对UTS50/E51层合板MMF强度特征值的表征。     

单螺栓修复对含冲击损伤碳纤维/环氧树脂复合材料层合板压缩承载能力的影响

开展了单钉修复对含冲击损伤碳纤维/环氧树脂复合材料层合板压缩承载能力影响的试验研究。测试了三种不同能量冲击后碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的压缩承载能力及失效模式,测定了单螺栓对碳纤维/环氧树脂复合材料层合板压缩承载能力的修复效率,并借助数字图像相关技术(DIC)表征手段揭示了单螺栓修复对含冲击损伤结构失效行为的影响。结果表明:冲击后碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的压缩承载能力随着冲击能量的增加而降低,冲击损伤破坏了碳纤维/环氧树脂复合材料层合板结构的对称性,并导致结构在加载初期呈非对称的局部屈曲变形特征,局部屈曲诱发并加剧分层损伤扩展;单螺栓修复能有效恢复结构的整体对称性,在一定程度上抑制含冲击损伤碳纤维/环氧树脂复合材料层合板的局部屈曲,达到可观的修复效率。该研究为复合材料紧固件修理方案的制订及修理损伤容限的定义提供一定的指导意义。      

碳纤维复合材料层合板低速冲击损伤应力分析

目的 为掌握碳纤维复合材料板在低速冲击载荷作用下的损伤规律,延缓失效破坏,对其冲击损伤的应力状态进行研究。方法 基于ABAQUS平台,建立碳纤维复合材料层合板低速冲击有限元模型,采用Hashin失效准则和VUMAT用户子程序,对碳纤维复合材料层合板的冲击过程进行数值模拟,同时考虑层合板层内与层间失效,以此来研究低速冲击条件下复合材料的损伤机理,分析冲击损伤过程中的应力变化趋势,讨论应力的分布状态。重点研究铺层角度及铺层距离冲头远近对应力的影响。结果 不同角度铺层的应力传播轨迹均沿着纤维方向和垂直于纤维方向同时扩展,应力均先增加至极限值而后迅速下降;铺层角度越大,板料的承载能力越弱,0°铺层的极限应力为1 432 MPa,而90°铺层的极限应力降至1 206 MPa;离冲头越远的铺层应力越小,达到峰值的时间更早且率先下降,说明远离冲头的铺层更早发生失效。结论 揭示了碳纤维层合板在低速冲击载荷作用下的应力状态及其对损伤的影响规律,能够为复合材料层合板零件设计提供参考。     

低速冲击作用下碳纤维复合材料铺层板的损伤分析

建立了一个有效计算模型, 以分析碳纤维复合材料层合板在低速冲击作用下的层内和层间失效行为。针对铺层板的层内损伤, 在基于应变描述的Hashin 失效准则的基础上, 建立了单层板的逐渐累积损伤分析模型;针对铺层板的脱层损伤, 建立了各向同性脱层损伤模型, 通过结合传统的应力失效准则和断裂力学中的能量释放率准则定义了界面损伤演化规律, 并在潜在产生脱层的区域模拟为粘结接触, 并将脱层损伤模型作为界面的接触行为。该计算模型通过商用有限元软件ABAQUS/ Explicit 的用户子程序实现。使用该计算模型对碳纤维增强环氧树脂复合材料层合板在横向低速冲击作用下的损伤和变形行为进行预测分析。数值仿真的结果与试验结果进行了比较, 取得了满意的结果, 验证了该模型的正确性。      

z-pin增韧复合材料层合板低速冲击损伤过程研究

从z-pin增韧复合材料层合板低速冲击实验出发,考虑了复合材料层合板在受低速冲击时的分层及基体开裂等四种损伤形式,引入适当的损伤判据,对T300/3234碳纤维树脂基复合材料层合板的低速冲击损伤过程进行有限元模拟。结果表明,采用碳纤维钉z-pin增韧使得冲击后层间分层区域面积减小50%左右,有限元结果与实验数据吻合。     

基于应变不变量失效理论的碳纤维增强树脂基复合材料层合板开孔结构压缩损伤模拟

应变不变量失效理论(SIFT)是一种新型的基于物理失效模式的复合材料强度理论,被广泛应用于复合材料结构失效分析。首先,为了提高理论分析的精度,SIFT被扩展用于分析碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层合板开孔结构的静载压缩逐步失效机制和强度。开发的SIFT实施方法包括材料强度表征和结构强度预测两个部分。结构强度预测是基于ABAQUS平台并使用Fortran语言编写用户自定义材料子程序(UMAT)实现的。随后,将SIFT预测值与经典复合材料强度理论Tsai-Wu和Hashin理论的预测结果和试验结果进行了对比,结果显示SIFT预测的精度最高。同时,基于SIFT对静载压缩下的AS4/3501-6层合板开孔结构从初始失效到最终失效的失效机制演变进行了详细的分析。最后,将SIFT预测的AS4/3501-6层合板开孔结构静载压缩的失效机制与试验结果进行了对比。结果表明SIFT预测的逐步失效机制与试验结果相吻合,所得结论为CFRP结构强度的预测提供了新思路。     

纤维/镁合金混杂层合板低速冲击响应及损伤模拟

为了研究新型纤维增强镁合金混杂层合板在低速冲击下的力学响应,分别对由玻璃纤维、碳纤维和二者混杂增强的AZ31B镁合金层合板在不同冲击能量下的落锤低速冲击试验进行了数值模拟。基于镁合金各向异性塑性本构和指数关系界面脱粘内聚力本构模型,同时纤维复合材料层采用三维Hashin失效准则且引入刚度折减,编写了复合材料层板损伤的VUMAT子程序,并将该子程序嵌入ABAQUS/Explicit中实现对层合板冲击过程的模拟。研究了该纤维层合板在不同冲击能量下的动态冲击响应以及脱粘与损伤演化规律,分析了冲击载荷、形变和能量吸收随时间的变化规律。模拟结果表明:在冲击能较小时,首先在冲击背面出现基体开裂,随着冲击能的增加,层合板受冲击面出现由无明显损伤到出现基体开裂和纤维断裂的现象;与单一碳纤维增强的镁合金层合板复合材料相比,单一玻璃纤维增强的镁合金层合板在冲击载荷作用时能够吸收更多的能量,碳纤维层内混杂合适的玻璃纤维铺层能够提高碳纤维增强镁合金层合板的抗冲击性能。     

碳纤维编织复合材料层合板抗侵彻性能研究

通过弹道冲击实验开展了碳纤维编织复合材料层合板的抗侵彻性能研究，进行了动态响应分析和损伤模式分析。建立了基于Hashin失效和Yeh分层失效准则的渐进损伤模型，运用ABAQUS有限元软件模拟了碳纤维编织复合材料层合板的侵彻失效过程，采用Lambert-Jonas公式拟合了柱状弹侵彻层合板弹道极限曲线，对比分析了碳纤维编织复合材料层合板侵彻实验与数值模拟的弹道极限速度及损伤形貌。结果表明，层合板侵彻损伤模式主要为分层、纤维断裂和基体开裂失效，弹道极限速度数值模拟结果与实验结果吻合较好。     

基于连续介质损伤力学的复合材料层合板低速冲击损伤模型

基于连续介质损伤力学（CDM）方法,建立了分析复合材料层合板低速冲击问题的三维数值模型。该模型考虑了层内损伤（纤维和基体损伤）、层间分层损伤和剪切非线性行为,采用最大应变失效准则预测纤维损伤的萌生,双线性损伤本构模型表征纤维损伤演化,基于物理失效机制的三维Puck准则判断基体损伤的起始,根据断裂面内等效应变建立混合模式下基体损伤扩展准则。横向基体拉伸强度和面内剪切强度采用基于断裂力学假设的就地强度（in-situ strength）。纤维和基体损伤本构关系中引入单元特征长度,有效降低模型对网格密度的依赖性。层间分层损伤情况由内聚力单元（cohesive element）预测,以二次应力准则为分层损伤的起始准则,B-K准则表征分层损伤演化。分别通过数值分析方法和试验研究方法对复合材料典型铺层层合板四级能量低速冲击下的冲击损伤和冲击响应规律进行分析,数值计算和试验测量的接触力-时间曲线、分层损伤的形状和面积较好吻合,表明该模型能够准确地预测层合板低速冲击损伤和冲击响应。     

复合材料层合板低速冲击的接触力和能量响应仿真

以连续介质损伤力学（CDM）为基础,提出了一个有效的数值分析模型来模拟碳纤维增强复合材料（CFRP）层合板低速冲击的接触力响应和能量响应。该模型考虑了不同的失效模式,引入了不可逆的损伤变量和新的刚度折减方式以考虑损伤造成的刚度变化,定义了耗散能的计算方式以考虑损伤造成的能量变化。通过在Abaqus/Explicit平台上编写VUMAT子程序具体实现模型,数值仿真与试验结果吻合较好,验证了该模型的有效性。此外,还综合考虑了Hashin准则与LaRC04准则各自的优缺点,用Hashin和LaRC04相混合得到的准则对低速冲击进行了模拟。结果表明：在冲击外载作用下当CFRP层合板中存在较多基体压缩失效时,采用混合的失效准则模拟得到的接触力响应和能量响应结果更接近试验结果,而使用纯Hashin准则得到的预测结果偏保守。     

复合材料层合板剪切稳定性试验及强度预测

对无损伤及含冲击损伤的复合材料层合板进行了剪切稳定性试验,基于数字图像相关方法 (Digital image correlation,DIC)对层合板屈曲后屈曲行为进行了实时测量。试验结果表明：引入冲击损伤后,复合材料层合板剪切屈曲波形、屈曲载荷无明显变化,失效模式转变,承载能力下降了9.69%。随后,基于断裂面失效理论,建立了考虑剪切非线性效应的复合材料渐进损伤失效模型,并对复合材料层合板剪切失效过程进行了模拟。模型采用软化夹杂法将冲击损伤等效简化,直接将损伤区的几何边界信息写入材料模型中,不需要对冲击损伤区进行切割,从而保证了整体网格质量。与试验结果对比发现：模型考虑剪切非线性对屈曲载荷预测无明显影响,对后屈曲承载能力的预测精度影响较大,不考虑剪切非线性效应时的误差可达20%以上;软化夹杂法可以有效地模拟冲击损伤,预测的含冲击损伤的复合材料层合板的屈曲载荷、破坏载荷误差分别为-3.17%、-1.27%。     

Characterization of high-velocity impact damage in CFRP laminates: Part II – prediction by smoothed particle hydrodynamics

High-velocity impact damage in CFRP laminates was studied experimentally and numerically. Part I of this study observed and evaluated near-perforation damage in the laminates and characterized the damage pattern experimentally. Part II predicts the extension of high-velocity impact damage based on smoothed particle hydrodynamics (SPH), which facilitates the analysis of large deformations, contact, and separation of objects. A cross-ply laminate was divided into 0° and 90° layers, and virtual interlayer particles were inserted to express delamination. The damage patterns predicted on the surfaces and cross-sections agreed well with the experiments. The analyzed delamination shape was similar to that resulting from a low-velocity impact, consisting of pairs of fan-shaped delaminations symmetric about the impact point. Finally, the mechanisms of high-velocity impact damage in CFRP laminates are discussed based on the observations and numerical analyses.     

低速冲击后复合材料层合板的压缩破坏行为

对缝纫层合板和无缝纫层合板进行低速冲击后压缩破坏实验,以研究低速冲击后层合板的压缩破坏机理。采用C扫描、X射线、热揭层等技术对层合板内的损伤进行测量和对比。结果表明,界面不是很强的碳纤维增强复合材料层合板低速冲击后受压时,层合板非冲击面的子层屈曲及其扩展是导致层合板冲击后压缩强度下降的重要因素,而且子层屈曲主要是沿垂直载荷的方向(90°)扩展;对于准各向同性板,屈曲子层中与母层相邻的铺层的方向一般为90°。层合板的剩余压缩强度与板的冲击损伤面积无直接关系。      

复合材料层板开孔拉伸损伤分析

针对纤维增强复合材料层板开孔拉伸, 将复合材料层板的失效分为层内失效和层间失效, 建立了复合材料层板开孔拉伸损伤分析模型。该模型基于逐渐损伤分析, 对不同复合材料开孔层板进行了失效预测, 并与文献试验结果进行了对比, 破坏强度和失效模式均与文献试验结果非常吻合。结果表明本文中所建立的层板开孔拉伸损伤分析模型能够模拟含孔层合板拉伸过程中的损伤起始、 损伤扩展和最终破坏模式, 并最终预测含孔层合板拉伸失效模式和破坏强度。      

复合材料层板开孔压缩损伤分析

针对纤维增强复合材料层板开孔压缩, 将复合材料层板的失效分为层内失效和层间失效, 建立了复合材料层板开孔压缩损伤分析模型。该模型基于逐渐损伤分析, 对不同复合材料开孔层板进行了失效预测, 并与文献中试验结果进行了对比, 破坏强度和失效模式均与文献试验结果非常吻合。结果表明, 本文中所建立的层板开孔压缩损伤分析模型能够模拟含孔层合板压缩过程中的损伤起始、损伤扩展和最终破坏, 并最终预测含孔层合板压缩失效模式和破坏强度。     

冲击作用下斜接修补CFRP层间分层和胶层的损伤机制及参数分析

首先,针对斜接修补CFRP抗冲击性能差的问题,分别使用基于接触的内聚力模型（SCZM）和基于单元的内聚力模型（ECZM）描述层间分层和斜接胶层破坏,研究CFRP层板的冲击响应和两种失效的演化规律。然后,分析了冲击能量、斜接角度和预拉伸作用对两种失效的影响。结果表明：层间分层起始时间早于胶层破坏,与冲击能量无关;分层和胶层破坏面积随冲击能量增加而增大,胶层破坏面积增加的更明显;斜接角度主要影响胶层破坏,对分层面积几乎无影响;预拉伸作用对两种失效均具有负面作用。最后,进一步讨论分层对胶层破坏的影响,通过与只考虑胶层破坏的情况进行对比,发现层间分层使胶层破坏的面积降低,延缓了胶层的最终失效。     

Composite laminate failure analysis using multicontinuum theory

Damage in a composite material typically begins at the constituent level and may, in fact, be limited to only one constituent in some situations. An accurate prediction of constituent damage at sampling points throughout a laminate provides a genesis for progressively analyzing failure of a composite structure from start to finish. Multicontinuum Theory is a micromechanics based theory and associated numerical algorithm for extracting, virtually without a time penalty, the stress and strain fields for a composites’ constituents during a routine finite element analysis. A constituent stress-based failure criterion is used to construct a nonlinear progressive failure algorithm for investigating the material failure strengths of composite laminates. The proposed failure analysis methodology was used to simulate the nonlinear laminate behavior and progressive damage of selected laminates under both uniaxial and biaxial load conditions up to their ultimate strength. This effort was part of a broader project to compare the predictive capability of current composite failure criteria.