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。     

复合材料层压板单面贴补修理建模分析研究

胶接修理技术是一种优质、高效、低成本的结构修理技术.针对复合材料层板的胶接贴补修理进行计算模拟分析,并与实验结果相对比.采用ABAQUS有限元软件对层压板的损伤板和单面贴补修理板进行有限元建模,分析修补前后的应力分布情况,计算出失效强度与完好板进行对比,得出修补后的强度恢复率.     

复合材料层合板胶接贴补修理渐进损伤分析

建立了复合材料层合板胶接贴补修理构型渐进损伤分析的三维有限元模型, 其中层合板和胶层分别采用正交各向异性损伤和各向同性损伤的连续介质损伤力学模型, 整个分析过程中同时考虑层合板和胶层的损伤形成和扩展以及它们之间的相互影响, 单向压缩载荷作用下的层合板贴补修理构型的试验数据验证了该模型的有效性, 采用该模型分析了不同的贴补修理参数对修补强度的影响。 结果表明: 当层合板补片较薄时, 补片损伤是导致修补结构失效的主要原因; 当补片较厚时, 胶层失效是导致修补结构失效的主要原因, 此时补片厚度增加并不能显著增大修补结构的极限强度。在复合材料贴补修理时需要对补片和胶层进行详细优化设计。      

碳纤维增强环氧树脂复合材料与铝板胶螺混合连接接头失效仿真

基于商用有限元软件ABAQUS,建立了碳纤维增强环氧树脂复合材料（CFRP）层合板和铝板双搭接胶螺混合连接接头强度预测模型,并进行了仿真分析,同时与试验结果进行对比,探究了此类混合接头在拉伸载荷工况下的失效形式和承载能力。结果表明,拉伸加载过程中,螺栓通过分担部分载荷加强了胶接连接。混合接头的失效形式先表现为胶层的断裂失效,最终表现为层合板孔边挤压失效。利用模型预测的接头承载能力与试验结果的误差为9.7%,具有较好的吻合性。该分析方法能够为复合材料-金属胶螺混合连接的分析和设计提供一定的参考。      

复合材料胶接修理层合板拉伸性能及影响参数

胶接修理是效率较高、应用较广的复合材料结构修补技术。对采用不同参数进行挖补和贴补修理的复合材料层合板的拉伸性能进行实验研究。结果表明:挖补修理实验件的强度恢复率约为66%~91%,贴补修理实验件的强度恢复率约为44%~61%。在挖补修理实验件中,减小挖补斜度、采用双面挖补、使用热压罐固化,在贴补修理实验件中,采用双面贴补、增大补片尺寸,均可得到更高的强度恢复率。在实验基础上建立的有限元模型,能够有效预测实验件的失效载荷、破坏模式,并可分析实验件的应力分布和渐进损伤过程,为设计修理方案提供参考。     

双斜接修补复合材料层合板的拉伸行为及影响因素双斜接修补复合材料层合板的拉伸行为及影响因素

基于试验和有限元数值方法对双斜接修补碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料层合板在拉伸载荷作用下的力学行为开展研究。通过试验分析了两种不同厚度的双斜接修补复合材料结构的承载能力和失效形式。结果表明,对于不同厚度的双斜接修补复合材料结构,失效强度接近,主要破坏形式均以胶层内聚破坏为主,伴随局部的90°基体开裂。利用连续介质损伤力学模型和内聚力模型分别对复合材料和胶层失效进行描述,通过数值方法开展双斜接修补结构的强度预测和损伤演化分析。数值结果与试验吻合较好,并且指出复合材料基体开裂起始早于胶层失效。通过有限元模型讨论了附加层、双斜接内部尖端所处位置和修补胶层参数对修补性能的影响。      

碳纤维增强树脂基复合材料层合板胶螺混合连接失效机制

为研究碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)层合板单搭接双螺栓胶螺混合连接失效机制,采用基于断裂能断裂准则的连续渐进退化方式,仿真CFRP层合板刚度退化,采用基于能量的B-K准则仿真胶层的损伤演化,建立胶螺混合连接结构渐进损伤三维有限元模型,有限元模型预测的最大失效载荷与实验结果吻合较好。搭接长度L_a为影响胶螺混合接头刚度和强度的重要几何参数,螺栓的位置不会明显影响接头的刚度,粘结面积越大,强度越大。胶螺混合接头在拉伸载荷作用下,由于二次弯曲效应的影响,螺栓向左倾斜,搭接区域的胶层损伤起始于搭接区域胶层外侧,并由外侧向内部扩展到钉孔附近,当胶层损伤扩展到钉孔附近时,螺栓承载增加,胶层和螺栓共同承载,此时CFRP层合板开始出现损伤;最终,左侧钉孔处的上层合板和右侧钉孔处的下层合板产生分层损伤并发生断裂。      

挖补复合材料层合板拉伸性能的参数影响研究

建立了挖补复合材料层合板的有限元模型,并通过渐进损伤分析方法计算了拉伸载荷下挖补结构的极限强度,计算结果与实验结果吻合良好,验证了模型的有效性。分析了该结构的失效过程,得出结构的失效模式为胶层失效。对挖补复合材料层合板的修理参数进行研究,分析了挖补斜度和挖补深度对挖补结构极限强度的影响。结果表明减小挖补斜度以及减小挖补深度都能提高挖补结构的极限强度。     

考虑紧固螺栓的三排滚柱式转盘轴承载荷分布计算

螺栓是转盘轴承的关键紧固件。为考察紧固螺栓工作参数对转盘轴承载荷分布的影响,提出了一种针对三排滚柱式转盘轴承的有限元等效建模方法。首先,基于三排滚柱式转盘轴承的结构特点和受力情况,建立考虑紧固螺栓的转盘轴承有限元模型,并从减少计算量和保证计算效率等方面考虑,采用非线性弹簧单元模拟滚子,通过有限元仿真快速获取了该转盘轴承的载荷分布。然后,设计并开展三排滚柱式转盘轴承静态加载试验,通过有限元仿真结果和试验结果的对比验证了所构建有限元模型的准确性。最后,基于构建的有限元模型,分析了螺栓预紧力和螺栓结合面处摩擦系数对三排滚柱式转盘轴承载荷分布的影响。仿真结果表明：螺栓预紧力对三排滚柱式转盘轴承载荷分布的影响显著,而螺栓结合面处摩擦系数的影响微弱,其中上排滚子承受的最大载荷随螺栓预紧力的增大而增大,下排滚子承受的最大载荷随预紧力的增大而减小;在轴向力和倾覆力矩的联合作用下,三排滚柱式转盘轴承下排滚子承受的载荷总体上高于上排滚子,充足的螺栓预紧力可以提高转盘轴承的承载能力,而螺栓预紧力不足则会使下排滚子承受更大的载荷,导致转盘轴承提前失效。研究结果可为转盘轴承的安装和后期维护提供参考。     

复合材料双面贴补修理拉伸解析分析模型及试验验证

复合材料胶接修理是一种有效并且低成本的修理技术。本文建立了复合材料层合板双面贴补胶接修理解析分析模型。模型中考虑了搭接区阶梯末端截面积变化细节。预测失效时,层合板采用最大应变准则,胶层采用最大剪应变准则和损伤区域理论。定义了残差函数来表征极限载荷解析计算结果与试验值的接近程度。通过试验对解析模型得到的等效刚度与极限载荷进行了验证。解析分析结果与试验数据对比表明:复合材料层合板双面贴补等效刚度随着搭接长度的增加单调增加。解析模型计算的等效刚度与试验结果最大误差不超过15%。当损伤特征长度为4%时,损伤区域理论对应极限载荷残差值最小,仅为4.30%,最大剪应变准则预测极限载荷的残差值为6.41%。解析模型分析表明,双面贴补极限载荷随着搭接长度的增加表现为快速增长、缓慢增长和几乎不增长三个阶段。搭接长度结合结构减重等限制因素应选择15~35mm为宜。     

GBJM方法的改进及其在含钉群复合材料结构钉载分配和承载能力分析中的应用

为了分析含钉群复合材料结构的钉载分配及承载能力问题,首先对Globle Bolted Joint Model(GBJM)方法进行了改进,然后采用改进的方法对复合材料多钉连接结构的钉载分配和承载能力进行了预测,并与试验结果进行了比较。结果表明:当孔边复合材料未出现损伤时,该方法对多钉载荷分配的预测和试验结果比较接近;而对结构承载能力的预测,该方法偏于保守,比试验结果约低15%。同时该方法具有两个显著优点:一是计算结构钉载分配时效率高,和三维有限元模型相比提高约75%;二是能够对含钉群复合材料结构的失效载荷进行有效的预测。     

碳纤维/环氧树脂复合材料L型接头拉伸失效机制

设计了单L型(LS)及双L型(LD)两种重量相近的L型接头。采用试验与数值模拟相结合的方式对两种接头的拉伸失效机制进行了研究。通过自行设计的试验夹具在伺服液压试验机上将两种L型接头准静态加载至破坏,分析其破坏机制及应变分布。研究发现,两种L型接头存在不同的失效机制,在破坏阶段单L型接头表现出更好的延展性。单L型接头加载至峰值载荷时,在靠近加载侧的内侧螺栓孔附近首先出现破坏,随后损伤向外侧螺栓孔附近扩展,直至完全失效。双L型接头加载至峰值载荷的50%左右时,L型框体和L型片之间的胶膜首先发生破坏,随后载荷继续增加至峰值载荷时,L型框螺栓孔附近发生破坏,损伤向框体边缘扩展,载荷大幅下降。此外,两种接头的应变随载荷的增加存在不同的变化趋势。采用一种新型复合材料初始失效准则及刚度折减方法,编写用户自定义子程序(UMAT),结合内聚区模型建立复合材料L型接头的渐进损伤模型。基于ABAQUS软件进行计算,得到接头的预测失效载荷及破坏形式。结果表明：有限元分析所得复合材料L型接头的损伤位置及失效模式与试验吻合,预测载荷与试验值相差较小,证明了有限元模型的适用性。     

考虑间隙配合的复合材料钉载分配均匀化方法

针对多钉连接中因复合材料脆性等因素导致结构中的钉载分配不均匀,以及接头在承载较大的钉位置易发生过早破坏的问题,提出了调整钉孔配合间隙改善钉载分配的不均匀性的优化方法。首先,基于弹簧质量模型,以钉孔间隙为设计变量,建立了多钉连接钉载分配的二次规划优化模型。然后,采用内点法对优化模型进行了求解,得到了优化模型的全局最优解。最后,以复合材料5钉双剪接头为例,对钉孔间隙进行了优化,将计算结果与有限元预测结果进行对比。结果表明:模型优化结果与有限元结果吻合较好,优化后最大钉载比例由41.1%降低到了20%。采用该模型可以高效、准确地实现复合材料多钉连接钉载分配比例的均匀化设计。      

复合材料中厚板沉头连接结构强度与损伤失效

针对复合材料沉头螺栓连接结构的强度与损伤问题,开展了两种厚度复合材料层合板凸头与沉头螺栓连接结构挤压强度对比试验研究。试验结果表明,增加层合板厚度会引起连接结构挤压强度下降,但沉头连接结构下降比例小于凸头连接结构。通过数值模拟方法对复合材料中厚板沉头连接结构的强度及损伤失效进行分析。提出一种非线性面内连续损伤与三维混合失效模型,模型考虑了复合材料基体剪切非线性特征并改进了纤维损伤失效判据,有效解决了数值模拟中沉头复合材料连接结构难于收敛的问题。对比分析表明:沉头连接结构的数值计算结果与试验结果吻合良好,极限强度最大计算误差8.62%。     

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。     

Failure load prediction of laminates repaired with a scarf-bonded patch using the damage zone method

The damage zone method (DZM) is an efficient way to predict the failure of composite structures with a minimum of real testing. Particularly, it is useful when the failure mechanism is too complicated to be accurately analyzed by a merely numerical method. The aim of this study was to use the damage zone model to predict the failure load of repaired laminates, in which scarf-bonded joints were used for repair. The model uses a test-based critical damage zone and stress-based failure criteria. A total of 45 carbon-epoxy composite (USN) laminate scarf-repaired specimens were first tested with two different defect sizes, four scarf angles, and three overlap layer sizes. The Tsai-Wu and Tsai-Hill criteria were used for the laminate, and the maximum shear stress criterion for the adhesive was adopted to predict failure onset. The predicted failure loads were compared to test results and a good agreement was obtained with a 9.2% maximum deviation for almost all parameters with the exception of a case with an unrealistically large scarf angle. To verify the feasibility of the DZM for different material, additional 30 repair specimens using other unidirectional carbon-epoxy laminate were then also tested and the predictions were confirmed by the results of the experiment.     

复合材料3钉单搭连接有限元模拟与钉载分布

进行了复合材料一铝合金三钉单搭连接单向拉伸试验,测量了层合板面内位移、应变和离面位移随载荷的变化关系,建立了复合材料多钉单搭连接的三维累积损伤有限元模型,计算与试验对比结果表明,该模型可模拟大范围损伤发生之前的承载特性。采用试验和数值模拟相结合的方法研究了复合材料一金属三钉单搭连接钉载分布情况,结果表明：试验用复合材料-铝合金三钉单搭连接,螺栓1承载比例最高,螺栓3次之,中间螺栓的承载比例最低,并且螺栓承载比例在加载过程中基本保持不变;随着金属连接板刚度的增加,螺栓1的承载比例增加,螺栓3承载比例降低,中间螺栓2的承载比例变化较小,层合板离面位移减小;金属板配合间隙变化对钉载分布影响很小,但层合板的离面位移随配合间隙的增大而增大。     

Experimental study on clamping effects on the tensile strength of composite plates with a bolt-filled hole

An experimental study was performed to assess the effects of clamp-up on the net-tension failure of laminated composite plates with bolt-filled holes. Graphite/epoxy prepreg of T800/3900-2 was selected for fabricating the laminates for the tests. The tensile strength and failure response of specimens with an open hole and a bolt-filled hole were evaluated. Both 100% bypass load (no bolt bearing load) and no bypass load (100% bolt bearing load) were considered during the experiments. X-radiographs were taken for specimens after pre-loading at different stress levels for the purpose of characterizing the failure modes and damage progression inside the composite.Experimental results showed that the bolt clamping force can significantly reduce the notch tensile strength of composite laminates which are prone to fiber-matrix splitting and delamination. A reduction in failure load of up to 20% was observed. Higher clamping pressure resulted in higher reductions of notch strength. However, for bolted joints which failed in a net-tension mode, clamping improved the joint strength regardless of the ply orientation.