复合材料层合板非线性热屈曲分析

本文基于高阶变形理论和修正型Hahn-Tsai非线性本构模型,提出一种复合材料层合板非线性热屈曲分析方法.针对四边简支反对称角铺设复合材料层合板,导出了非线性热屈曲临界温度封闭解.数值结果表明:材料非线性能显著降低层合板临界温度.      

具有分层损伤复合材料加筋与无加筋层合板热-机械力屈曲性态

基于复合材料一维剪切理论——Mindlin 理论, 给出了材料性质与温度有关的含分层损伤复合材料加筋和无加筋层合板的线性和非线性热-机械力耦合情况下的屈曲问题有限元分析方法, 并研究了含分层损伤的加筋和无加筋层合板的两种不同类型的热- 机械力屈曲问题。通过典型算例分析, 讨论了热-机械力耦合效应和分层大小对含分层损伤结构的屈曲性态的影响关系。     

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%。     

平面支承对轴压下复合材料层合板非线性稳定性的影响

本文根扼稳定性分析的前屈曲完全理论,应用有限无法,对轴压下复合材料层合板的非线性稳定性进行了分析计算,考察了屈曲前平面支承条件对层合板稳定性的非线性效应的影响,得出一些有意义的结论.      

热声载荷下C/SiC层合薄板动态响应分析及寿命预测

鉴于处在热声载荷下的薄壁结构工作条件恶劣,极易发生屈曲和声疲劳从而影响构件的稳定性和使用寿命。以四边固支C/Si C复合材料层合板结构为研究对象,运用有限元方法计算结构在不同温度和声压级组合下的振动响应,分析屈曲前后响应特性并总结了典型的非线性振动响应特性;基于复合材料层合板高比强和特殊的结构疲劳损伤机理特点,运用改进的雨流法统计了层合板在超高温度强噪声工况下的应力响应,结合材料对称循环疲劳性能试验所得数据拟合地考虑平均应力影响的等效寿命公式和Palmgren-Miner线性累积损伤准则估算层合板的疲劳寿命。     

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。      

含界面开裂损伤的复合材料夹层板线性和非线性热—机械力屈性态研究

本文提出基于复合材料层合板的一阶剪切理论和ｚｉｇ－ｚａｇ变形假定的有限元模型，研究了含表板与心体间开裂损伤的复合材料夹层板的线性和非线性热－机械力耦合情况下的屈曲问题，在分析中考虑了材料性质与温度的相关性。通过典型算例分析，讨论了热－机械力耦合效应和损伤面积大小对夹层结构的屈性态的影响关系。     

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。      

反对称角铺设复合材料层合板热后屈曲和模态跃迁分析

为有效分析反对称角铺设复合材料层压板热后屈曲性能,由渐近修正几何非线性理论推导双耦合四阶偏微分方程（即协调方程和动态控制方程）,通过双Fourier级数将耦合非线性控制偏微分方程转换为系列非线性常微分方程,从而获得相对简单的求解方法。使用广义Galerkin方法求解与角交铺设复合层合板相关的边界值问题,研究了模态跃迁前后不同复杂程度的后屈曲模式。通过四边简支、面内不可移边界下复合层合板的数值计算表明：该解析法与有限元方法在主后屈曲区域的计算结果有很好的吻合性;有限元方法在解靠近二次分岔点时失去收敛性,而解析法仍具有深入探索后屈曲区域和准确捕捉模态跃迁现象的能力。     

含分层损伤复合材料层合板非线性动力稳定性

采用Reddy 的板高阶剪切变形简化理论研究了含分层损伤复合材料层合板的非线性动力稳定性问题。建立了分层模型, 推导了考虑几何非线性和阻尼效应的Methieu 方程, 给出了该方程的解析解表达式; 研究了参数振动解的稳定性; 然后通过典型数例讨论了分层损伤对层合板固有频率、屈曲临界力以及动力稳定区域的影响; 研究了保守与非保守体系的外载荷的激励频率对层合板第一参数振动的振幅的影响, 以及线性、非线性阻尼对非保守体系的最大牵引深度的影响。由典型算例讨论可知, 随着复合材料层合板分层损伤的扩大, 其动力稳定性能逐渐减弱, 特别是损伤接近层合板的中面时, 分层损伤对其动力稳定性能的影响最大。      

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。     

双轴受压反对称角铺设复合材料层合板在固支边界下的后屈曲和模态跃迁

为有效分析双轴受压反对称角铺设复合材料层压板在固支边界下的后屈曲性能, 由渐近修正几何非线性理论推导其双耦合四阶偏微分方程(即应变协调方程和稳定性控制方程), 通过双Fourier级数将耦合非线性控制偏微分方程转换为系列非线性常微分方程, 从而获得相对简单的求解方法。使用广义Galerkin方法求解与角交铺设复合层合板相关的边界值问题, 研究了模态跃迁前后不同复杂程度的后屈曲模式。对四层固支边界复合层合板的数值模拟结果表明: 该解析法与有限元方法在主后屈曲区域的线性屈曲荷载计算结果吻合良好; 有限元方法在解靠近二次分岔点时失去收敛性, 而解析方法可深入后屈曲区域, 准确捕捉模态跃迁现象; 对于反对称角铺设层合板, 可仅用纯对称模态来定性预测主后屈曲分支、二次分岔荷载及远程跃迁路径。      

复合材料气瓶的有限元建模与屈曲分析

复合材料气瓶在空间系统中逐渐取代全金属气瓶而得到越来越广泛的应用.利用ANSYS大型有限元程序建立复合材料气瓶及其内衬的有限元模型,建模中将纤维缠绕层作为复合材料层合板处理,考虑了封头处缠绕层厚度及缠绕角沿子午线不断变化的情况.建立了气瓶整体结构的特征值屈曲分析与非线性屈曲分析有限元方程,并分别进行了气瓶整体结构和内衬的外压失稳(屈曲)分析计算,得出了气瓶整体结构及内衬的屈曲模态形状和临界外压.     

含分层损伤大层数复合材料层合板层间热效应分析

在机械载荷和热载下对含分层损伤大层数复合材料层合板采用三维有限元法分析其后屈曲行为。这种有限元的特点是每个单元可包含多个具有不同铺设角、不同组分材料的铺层。在分析中引入接触元来防止层间的闭合接触效应,并进一步分析了分层前缘的能量释放率。结果表明温度对于复合材料层合板的层间破坏有重要影响。     

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。     

纤维桥联效应下复合材料层合板的屈曲及分层扩展模拟

纤维增强复合材料层合板由于层间力学性能弱,容易出现分层损伤。分层的扩展往往伴随着纤维桥联效应,纤维桥联能显著增大层合板尤其是多向层合板分层扩展的阻力。考虑纤维桥联效应的三线性内聚力模型能表征分层扩展实验中断裂韧性的“R曲线”特征,比传统的双线性模型能更为准确地描述复合材料的分层扩展行为。本论文基于三线性内聚力模型,对含圆形分层复合材料层合板的轴向压缩进行数值模拟,探讨纤维桥联效应对分层扩展及后屈曲行为的影响规律。研究结果发现,纤维桥联对层合板的屈曲载荷影响较小;混合屈曲模式下,三线性模型预测的上下子板相对法向位移明显低于双线性模型;相同分层深度下,三线性模型预测的层合板后屈曲更早转变为整体屈曲模式。随着分层深度的增加,层合板的屈曲模式由局部屈曲逐步过渡为混合屈曲和整体屈曲;当分层深度较浅时,Ⅰ型分层扩展占主导;随着分层深度的增加,Ⅰ型分层逐渐减弱,而Ⅱ型和Ⅲ型分层扩展则显著增强;当分层接近板中面时,Ⅰ型分层停止扩展,以Ⅱ型及Ⅲ型分层为主。     

含内埋矩形脱层板屈曲分析的传递函数方法

研究了含任意内埋矩形脱层复合材料层合板的屈曲问题。采用一种基于Mindlin一阶剪切理论的条形传递函数方法,将含内埋矩形脱层的复合材料层合板分成含脱层和不含脱层的两种矩形超级单元,然后由各超级单元之间连接结点处的位移连续和力平衡条件得到脱层板屈曲的特征方程,进而得到脱层板的屈曲载荷和屈曲模态。进行参数分析发现,脱层大小、深度、位置以及脱层板的边界条件和复合材料铺层方向对脱层板屈曲载荷的影响较显著。     

非线性热弹性问题的Hamilton 半解析法及其在层合板固化降温过程中热应力的分布研究

推导了考虑材料随温度变化非线性特征的增量形式Hamilton 半解析有限元法的列式;给出了层合板非线性热弹性问题的求解过程; 通过算例, 研究了复合材料层合板在固化降温过程非线性热应力分布规律, 并同线性分析结果进行了比较。结果表明, 非线性分析与线性分析结果存在很大差异。      

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。      

纤维增强复合材料层合板屈曲性态分析的边界元法

本文用边界元法分析了纤维增强复合材料正交各向异性层合板的屈曲性态。为了克服在用边界元法求解正交各向异性层合板屈曲时寻求相应的基本解的困维,本文采用了双重傅立叶级数和引用等效荷载的概念,建立了层合板屈曲临界荷载的特征方程。算例说明了本文方法的可行性和有效性。