剪切载荷作用下复合材料挖补修理层合板试验及有限元分析

为了确定剪切载荷作用下含非穿透损伤复合材料挖补修理层合板的破坏模式和抗剪切能力,进行了复合材料挖补修理层合板的剪切试验,并与未损伤复合材料层合板进行对比。试验结果表明,复合材料挖补修理后的层合板具有较高的强度恢复率,且不影响层合板的后屈曲承载能力。同时,建立了剪切载荷作用下复合材料挖补修理层合板的有限元分析（FEA）模型,复合材料母板和补片采用了三维Hashin准则来判定材料失效,母板层与层之间采用零厚度界面单元以有效模拟剪切载荷作用下复合材料母板上、下子板之间的分层。该模型得到的破坏模式与试验结果基本相符。由于挖补修理的设计与工艺复杂性,理论模拟的破坏载荷与试验结果虽不能完全吻合,但其最大15%左右的差异能够满足修理设计的需要。以上结果说明,该模型对剪切载荷作用下复合材料挖补修理层合板的破坏模式和破坏载荷能够进行工程适用的预测。     

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%。     

含任意分层缝纫正交层合板压缩屈曲分析

建立了分析含任意形状分层的缝纫增强复合材料层合板压缩屈曲问题的连续分析模型。该模型允许缝纫层合板含有一个或多个形状不同的分层。分析结果表明,缝纫针脚在分层区域的分布、缝纫密度和缝线的等效刚度系数对分层子板的压缩屈曲应变均有较大影响。      

基于Puck理论的复合材料层合板横向剪切失效分析

针对复合材料层合板三维失效分析问题,建立了一种基于Puck失效准则的分析模型。针对Puck失效理论中的基体失效,分别采用遍历法和分区黄金分割法（PGSS）的一维搜索算法预测了不同应力状态下基体失效的断裂面角度,并对比分析了两种算法的计算精度和计算效率。研究表明,PGSS具有较高的搜索精度和搜索效率。在ABAQUS有限元分析平台下,编写了基于Puck失效准则的VUMAT显式用户自定义材料子程序,对复合材料层合板横向（G₂₃）剪切性能进行了数值预测和渐进失效分析,并与试验载荷-位移曲线、DIC测得的应变场及破坏模式进行了对比。分析结果表明:当前的分析模型能较好地预测复合材料层合板G₂₃剪切试验的力学响应和破坏模式。      

含脱层纤维增强复合材料层合板在湿热环境下的屈曲分析

依据复合材料细观力学研究了含脱层的正交各向异性复合材料层合板的力学性能与温度和湿度的关系,在宏-细观力学模型框架下建立了考虑湿热效应的屈曲控制方程,利用空间上分离变量的方法求解了控制方程,得到满足连续性条件和边界条件的控制方程的解。通过含脱层的复合材料层合板的屈曲数值算例,综合讨论了几何参数、材料参数和湿热环境等多方面的参数变化对含脱层的正交对称铺设复合材料层合板的临界屈曲载荷的 影响。     

复合材料层合板开口翻边补强试验和数值研究

对复合材料开口补强层合板进行压缩试验研究。对复合材料开口非补强和开口补强层合板建立有限元模型,采用三维8节点厚壳单元 ( S8R),分别利用非线性分析和线性分析方法对复合材料的应力-应变响应进行模拟。通过试验数据与数值结果对比发现,几何非线性分析方法较线弹性分析方法能更好地符合试验结果。通过编制材料子程序 (UMAT) 来预测材料的损伤萌生和扩展,预测的应力-应变响应、损伤扩展、失效强度基本与试验结果一致。      

对称层合板复合材料的屈曲变形解析

提出了如何利用2 元多项式位移函数来分析层合板复合材料的屈曲问题。在解析中同时 考虑到层合板的面外剪切变形。解析表明屈曲载荷在多项式项数大于20 以上时趋于稳定, 可得到 高精度的解。本文并对对称角铺设层合板进行了系统地数值解析, 明确了在各种边界拘束条件下 材料的工程弹性系数, 层合板长宽比, 铺层数, 层合角对屈曲载荷的影响, 从而以达到优化设计。同 时, 验证了本解析法对任意边界条件下的层合板的屈曲解析是非常有效的。      

复合材料层合板临界屈曲载荷分散性

基于随机场理论, 将纤维和基体性能以及纤维体积分数作为随机场变量, 利用局部平均法对随机场进行离散。结合MATLAB与ANSYS的PDS模块对复合材料层合板临界屈曲载荷进行Monte-Carlo模拟, 分析各类随机场变量、随机场的相关长度、对称性和边界条件对临界屈曲载荷分散性的影响。结果表明: 不同随机场变量对层合板屈曲载荷分散系数影响的程度不同, 纤维体积分数的影响最大, 其次为纤维性能与基体性能; 屈曲载荷的分散系数存在尺寸效应, 随着板尺寸的增加, 屈曲载荷分散系数逐渐减小; 减小相关长度可有效地减小屈曲载荷的分散系数; 纤维正对称铺设所引起的屈曲载荷分散系数稍大于反对称铺设情况, 而两对边固支板的屈曲载荷分散系数一般大于四边简支板的结果。     

复合材料单向层合板损伤失效试验研究

对T300/BMP-316单向层合板静载及疲劳加载各主方向损伤失效进行了试验研究, 为建立该材料各主方向疲劳加载剩余刚度退化表达式及剩余强度退化表达式提供了依据。同时, 获得了该材料剪切非线性因子, 给出了面内剪切疲劳加载试验循环过程中剪切刚度计算公式, 使用渗透剂增强的X射线图像技术对试样静载及疲劳破坏损伤状态进行了无损检测, 并对损伤失效机理形式进行了分析探讨。试验表明, 层合板结构应力分析中考虑材料剪切应力-应变的非线性效应是非常必要的。      

复合材料织物层合板挖补修理软件实现与试验验证

针对单向拉伸载荷作用下复合材料织物层合板胶接挖补修理结构,改进现有解析模型,建立适用于无附加层、附加1层和附加2层结构的阶梯型挖补修理结构和斜切型挖补修理结构的解析分析模型。给出求解算法,定义准确度用于评价数值计算精度,最终实现开发一套界面友好的复合材料胶接挖补修理设计与分析软件。该软件可以求解单向拉伸载荷作用下,复合材料胶接修理结构内部的剪应力场/剪应变场分布,评价搭接板受载情况,并预测结构失效载荷与失效模式。研究中采用T300/CYCOM-970织物作为母板与补片材料,METLBOND1515-4M作为胶层材料,设计进行了一系列阶梯型及斜切型挖补修理验证试验。试件失效载荷与软件计算结果吻合良好,阶梯型最大相差5.7%,斜切型最大相差14.0%。该软件可以对复合材料织物层合板胶接挖补修理进行高效、准确的初步辅助设计与分析。     

Effect of ellipse orientation on the thermoelastic behaviour of skew laminated composite plate with elliptical cutout

An effort is made to study the thermoelastic behaviour of a cross-ply laminated composite skew plate with elliptical cutout subjected to pressure and non-linearly varying temperature loading in the present analysis. Orientation of the elliptical cut out is varied from 0° to 180° with respect to horizontal at an interval of 30° in the anti clockwise direction is considered for the present analysis. A three-dimensional heat conduction analysis in fibre reinforced composite laminates has been simulated by finite element method to get realistic temperature in the laminate under different thermal boundary conditions. A finite element method, which works on the basis of three-dimensional theory of elasticity, is employed to evaluate the stresses and deformations. The effect of orientation due to pressure loading on the stresses and transverse deflection is observed to be insignificant. The magnitudes of the in-plane normal stresses, σ _x and σ _y, for temperature loading are greatly affected by ellipse orientation and are observed to be minimum at the ellipse orientation of 0° and 90°, respectively. The in-plane and inter-laminar shear stresses are observed to be minimum at the ellipse orientation of 90°.     

Buckling analysis of composite laminates under end shortening by higher‐order shear deformable finite strips

A higher‐order shear deformable finite strip is developed and employed in the buckling analysis of laminated composite plates when subjected to uniform end shortening. This enables the transverse shear deformation to be accurately incorporated. The permitted laminate material properties are quite general, encompassing anisotropy and full coupling between in‐plane and out‐of‐plane behaviour. Results with respect to the number of plies, thickness of laminate and ratios of E₁₁/E₂₂ are presented for unsymmetric cross‐ply and angle‐ply lay‐ups and for laminates with arbitrary lay‐up arrangements. Copyright © 2002 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。      

Postbuckling strengths of composite laminate with various shaped cutouts under in-plane shear

The aim of present investigation is to study the buckling and postbuckling response and strengths under positive and negative in-plane shear loads of simply-supported composite laminate with various shaped cutouts (i.e., circular, square, diamond, elliptical-vertical and elliptical-horizontal) of various sizes using finite-element method. The FEM formulation is based on the first order shear deformation theory which incorporates geometric nonlinearity using von Karman’s assumptions. The 3-D Tsai-Hill criterion is used to predict the failure of a lamina while the onset of delamination is predicted by the interlaminar failure criterion. The effect of cutout shape, size and direction of shear load on buckling and postbuckling responses, failure loads and failure characteristics of quasi-isotropic [i.e., (+45/−45/0/90)_2s] laminate has been discussed. In addition, the effect of composite lay-up [i.e., (+45/−45/0/90)_2s, (45/−45)_4s and (0/90)_4s] has also been reported. It is observed that the cutout shape has considerable effect on the buckling and postbucking behaviour of the quasi-isotropic laminate with large size cutout. It is also observed that the direction of shear load and composite lay-up have substantial influence on strength and failure characteristics of the laminate.     

Experimental study on load bearing behavior of large scaled caps with pile groups

为了进一步研究桩基厚承台的受力性能和极限承载能力,共制作了4个缩尺比例为1:10的九桩承台模型试件并进行了竖向破坏性加载试验。对承台的破坏形式、荷载与位移关系、及承台内部应力进行了系统地分析。结果表明,4个承台的破坏形态均为冲切破坏,九桩承台内部力流符合空间桁架模型。此外,采用当前一些常用设计方法对承台的破坏荷载进行计算,并与试验值进行对比,结果表明空间桁架模型设计方法用于厚承台设计更为合理。     

面内线性变化载荷作用复合材料层合板的振动与屈曲优化

采用广义微分求积（GDQ）法开展了不同边界条件下承受面内线性变化载荷作用复合材料层合板振动与屈曲的分析与优化。针对GDQ法求解面内线性变化载荷工况复合材料层合板屈曲问题存在计算振荡、不收敛现象,提出载荷扰动策略实现了GDQ法对复合材料层合板屈曲问题的稳定高效求解。基于基础圆频率和临界屈曲载荷系数的归一化指标,分析了铺层角度对复合材料层合板综合性能的影响,并结合直接搜索模拟退火算法开展了复合材料层合板的铺层顺序优化。结果表明:铺层角度变化对屈曲性能的影响明显强于频率特性;面内线性变化载荷中,以弯曲载荷作用下复合材料层合板的优化综合性能受边界条件变化的影响最小,而优化铺层角度受边界条件变化的影响最大。研究结果为复杂载荷作用下复合材料层合板的设计提供了参考。      

Al-Kapton层合薄膜力学行为的实验研究

Al-Kapton层合薄膜是一种空间可刚化材料,利用电子万能材料实验机在不同温度和不同拉伸速率下对其强度和弹性模量变化进行了研究.用电子探针对Al-Kapton薄膜的拉伸断口进行了扫描,从微观上考察其破坏机理.利用阿累尼乌斯建立了Al-Kapton层合薄膜弹性模量和温度之间关系的预测模型,并通过实验验证了此模型的有效性.研究结果表明:Al-Kapton层合薄膜的强度和弹性模量随温度上升而下降,但是,随着拉伸速率的增加,其强度有所提高,而弹性模量几乎没有变化;在-130～130℃之间,Al-Kapton薄膜中的铝箔属于韧性断裂,断裂形式从韧窝断裂向滑移断裂过渡,而Kapton薄膜的断裂方式属于分子链破坏.     

基于弯曲刚度最大分层临界载荷的层压板局部屈曲预测

提出了一种预测含特定分层损伤层压板发生局部屈曲时整体应变的方法.认为含分层子板的局部屈曲载荷由其弯曲刚度最大的分层决定,因而含有相同最大弯曲刚度分层的不同子板具有相同的屈曲载荷.在已知弯曲刚度最大分层的屈曲载荷的情况下,根据层压板的轴向刚度公式,计算出发生局部屈曲时弯曲刚度最大的分层与完好的基板分别承受的载荷,即得到总载荷,进而得到层压板的整体应变.用ABAQUS有限元分析软件建立含分层损伤的层压板模型,使用准静态加载进行了多种分层深度和分层位置下的局部屈曲仿真,所得局部屈曲载荷符合上述推论.用所提方法预测发生局部屈曲时的整体应变,结果与有限元结果吻合较好,此方法可用于建立分层参数识别的参照样本库.