复合材料层合板冲击损伤剩余强度分析

民用飞机复合材料结构设计时必须考虑复合材料层合板的冲击损伤.通过试验测量和数值模拟两种方法分析碳纤维增强复合材料层合板低速冲击损伤后的剩余压缩强度,试验采用标准试验规范进行测量,数值模拟分析采用层内渐进损伤模型和层间Cohesive模型模拟分析层合板冲击损伤以及剩余压缩强度.数值模拟与试验结果对比表明,该数值模拟分析方...     

复合材料层合板低速冲击后的力学性能试验研究

对特定铺层的5224/CF3052平纹织物复合材料层合板进行了低速冲击和冲击后拉伸、压缩及弯曲试验。探讨了层合板在冲击试验过程中的损伤过程、特征和机理;分析了凹坑深度对层合板冲击后拉伸、压缩和弯曲强度的影响规律。结果表明:冲击后拉伸、压缩及弯曲强度降幅分别为60.9%、50.4%及28.4%,冲击后拉伸强度降幅最大,应引起注意。与冲击后压缩试验结果类似,凹坑深度与冲击后拉伸、弯曲剩余强度关系曲线存在拐点现象。     

含预置分层复合材料层合板低速冲击损伤分析

以T300/QY8911碳纤维复合材料层合板为研究对象,利用三维Hashin失效准则对层内损伤进行预测,引入Cohesive界面单元模拟层间分层破坏,使用Camanho刚度退化准则确定材料参数退化方案,并编写了用户材料子程序Vumat,利用ABAQUS软件对预置不同分层损伤复合材料层合板低速冲击过程进行了数值仿真模拟。在冲击载荷作用下研究层合板的动力学响应,得到不同预置分层对层合板总分层损伤面积的影响,同时分析了冲击过程中冲击点位移随时间变化的规律。结果表明：预置分层位置离层合板中间层越远,层合板抵抗冲击承载能力越弱。预置分层的分层数目越多,层合板的刚度越低,层合板抵抗冲击承载能力越弱。在预置分层的两侧,层间分层损伤面积呈塔状分布。含预置分层层合板受到冲击时,预置分层对分层损伤的扩展具有一定的抑制作用。     

玻璃纤维复合材料层合板冲击后的压缩强度

对不同厚度的二维编织环氧玻璃纤维层合板进行落锤冲击试验及冲击后压缩破坏试验,以研究低速冲击对复合材料层合板剩余压缩强度(CAI)的影响。用透光描影及热揭层方法对冲击损伤形式进行描述。讨论了损伤宽度、损伤面积与冲击能量及剩余压缩强度、模量间的关系,并建立有限元模型,采用开口等效及软化夹杂等分析方法对材料的冲击后压缩强度值进行估算。     

环氧玻璃钢层合板低速冲击损伤特性的研究（Ⅱ）

本文以玻纤/环氧层合板为研究对象,证明了准静态球面弯曲与落重冲击试验的损伤机理的一致性;用球面弯曲试验测试了损伤区的扩展演化过程,并通过力学方法直接测出了起始分层损伤的能量门槛值;还通过加载卸载前后损伤区的扩展及能量变化测出分层损伤扩展阻力,(即单位分层面积耗散的能量)。为确切表征复合材料抗冲击损伤特性提供了一条新的途径。     

层合板切口强度和切口敏感性的试验研究

提出了在复合材料板中人工预制尖锐切口的方法。进行了切口呼无切口试样在载荷方向垂直于和平行于纤维面的三点弯曲破坏试验。测定了玻纤／环氧层合板的切口强发口敏感度。探讨了玻纤／环氧层合板的线弹性断裂力学的适用性，借助复合材料的ＷＥＫ断裂模型估计层合板在尖切口前沿的损伤区尺寸。预测了切口强度。结果表明：对于玻纤／环氧层合板，若根据平面应变和小范围屈服的力不条件选择试样尺寸，则其三点弯曲的断裂应力、等效尖     

FRP层合板低速冲击损伤特性研究现状与展望

纤维增强复合材料层合板(FRP)由于具有比强度高、比模量高、可设计性强等特性,在工程领域得到越来越广泛的应用。但是低速冲击造成的损伤对层合板力学性能的影响非常显著,导致其强度和刚度下降。本文针对近年来纤维增强复合材料层合板低速冲击作用下的损伤研究进行了综述和回顾,重点介绍了试验研究方法、模拟计算研究方法、FRP层合板损伤性能表征方法,并对有待于进一步研究的问题进行了展望。     

复合材料层合板的强度

本文给出了复合材料层合板中各单层板及子层板内力的计算公式，定义了引起脱层的内力及其局部平均层间应力，根据脱层判据可得到由脱层控制的层合板强度，加上最后层破坏理论，得到一个较为完整的层合强度计算方法。     

含分层损伤复合材料层合板的屈曲特性研究

本文利用有限元方法,对压缩载荷作用下含各种形状脱层损伤的复合层合板的屈曲模态和载荷进行了研究。对不同的脱层损伤尺寸,层合板分别有整体,混合和局部三种屈曲模态,穿透脱层和埋藏脱层的层合板其临界载荷的变化规律是相同的。     

冲击方向对层合板低速冲击响应的模拟研究

利用有限元软件ABAQUS/Explicit,采用双线性本构法则和B–K断裂能准则,建立并验证了复合材料层合板的落锤式低速冲击损伤模型。在该验证模型的基础上,将冲头分别以30o,45o,60o和90o的冲击角度,以3.0 J和5.0 J的初始冲击能量对层合板进行冲击模拟试验。结果表明,冲头的冲击方向对层合板的冲击响应有着较大的影响,当冲击角度为45o时,冲击方向对层合板的能量耗散影响最大,当冲击角度为90o时,冲击方向对层合板能量耗散影响最小。     

准静态压痕作用下复合材料层合板损伤阻抗与损伤容限实验研究

参照标准实验方法,开展了复合材料层合板对准静态压痕力的损伤阻抗和损伤容限实验研究,获取了接触力、压痕深度、压头位移等实验数据,并对含静压痕损伤层合板进行了剩余压缩强度试验。研究了压痕深度-接触力与剩余压缩强度-压痕深度的变化关系,并讨论了准静态压痕过程中的损伤演变过程和层合板的压缩破坏模式。结果表明:当层合板表面出现目视勉强可见压痕时,初始损伤发生,压痕深度随接触力增大而明显增大,同时剩余压缩强度随压痕深度增加而明显降低;当达到最大接触力时,层合板失去承载能力,背面可看到大量纤维断裂。对于含静压痕损伤的层合板,压缩破坏模式为贯穿损伤区域的层合板断裂。     

FBG监测层合板低速冲击损伤研究

玻璃纤维复合材料在外界冲击载荷下发生分层损伤,对后续结构的安全使用造成影响。通过布拉格光栅传感器(FBG)对真空辅助成型的层合板在低速冲击载荷下的响应情况进行了监测,分析了不同厚度方向上层合板应变变化,并与层合板的损伤情况进行了对比。结果表明,波长的变化可以有效反映层合板的应变情况,波长差值可以反映层合板内部的损伤情况;FBG在多次冲击后仍具有良好的监测性能,可用于层合板的长期在线监测,为FBG监测层合板低速冲击损伤提供了依据。     

复合材料叠层板损伤应变能释放率

从损伤力学角度出发,利用断裂力学中有关概念、方法,推导出正交异性复合材料层板开裂、分层过程中的损伤应变能释放率.通过绘制开裂阻力曲线和假设起始开裂时应变能释放率相等,能合理解释复合材料层板在开裂过程中出现的各种行为现象.计算结果与实验非常吻合,并提出一种综合考虑强度与刚度的实用性设计准则.     

湿热环境对碳纤维/环氧复合材料的冲击破坏特性影响

为了研究湿热环境对碳纤维/环氧树脂(CFRP)复合材料抗冲击性能的影响,对碳纤维/环氧复合材料层合板进行70℃水浴处理,采用锥头圆柱形弹体对湿热饱和试样和干燥室温试样进行速度分别为45 m/s、68 m/s、86 m/s的冲击,采用激光测速仪测量冲击前后的速度,然后采用超声C扫描检测系统、超景深三维显微系统、扫描电镜(SEM)等方法对试样的冲击破坏进行检测。实验结果表明:随着冲击速度的增加,试样的破坏投影面积增加;在速度较低时,湿热环境对碳纤维/环氧树脂层合板的损伤孔洞面积影响更大;湿热处理之后的碳纤维/环氧树脂层合板层间性能明显降低。     

碳纤/环氧复合材料层合板低速冲击损伤机理研究

对[0/90/0/90]_(2s)和[+45/-45/0/90]_(2s)以及平纹布铺层方式的T300/环氧复合材料层合板进行低速冲击实验,在圆形试样的基础上比较不同铺层结构的复合材料在冲击性能方面的差异,从冲击能量传播的角度分析不同铺层结构复合材料的冲击破坏机理。并在ABAQUS有限元模拟的基础上分析冲击破坏的能量传播机理。结果表明冲击能量的传播与复合材料层合板中织物沿厚度方向的铺层结构有关,也与每一层织物内纤维的方向和纤维的空间结构有关。冲击能量在排列很直的纤维中传播很快,沿纤维轴向的损伤更容易传递,所以单向布铺层的复合材料与平纹布铺层的复合材料相比,冲击中心区域的损伤小,但是损伤的范围大,纤维的弯曲会降低冲击能量沿纤维轴向的传播速度,平纹织物中每一层纤维存在交织点,冲击能量集中在冲击中心区域,使得平纹布铺层的复合材料冲击损伤集中于冲击中心处且损伤程度比单向布铺层的复合材料大,出现更多的纤维断裂情况。在铺层复合材料中纤维排列的方向越多,沿纤维轴向传播的能量方向也就越多,冲击能量在每一层的面内传播更均匀,有利于减轻复合材料受冲击的损伤程度。     

不对称铺层复合材料变形规律的实验研究

为了充分发挥复合材料的可设计性和减重作用,近年来不对称铺层复合材料受到了越来越多的关注。本文对铺层顺序、构件尺寸、构件厚度和固化温度等因素对不对称铺层复合材料的变形规律进行了实验研究。结果表明,铺层顺序、构件厚度和固化温度对不对称铺层复合材料的变形有显著影响,而构件尺寸对变形曲率影响较小。     

热塑／热固共混树脂胶膜对复合材料抗冲击损伤性能影响

本文利用溶液共混法制备ＰＥＩ／ＢＭＩ／ＤＢＰＡ和ＰＳＦ／ＢＭＩ／ＤＢＰＡ两种热塑／热固共混权脂胶膜,分别有选择地夹入于复合材料叠层板层间,分析研究它们对复合材料抗低速冲击损伤性能的影响。实验结果表明,这种增韧性方法具有良好的成型工艺性,制备的复合材料与未增韧的相比,分层损伤能量阈值ＥＣ２提高５０％以上,叠层板分层扩展阻力值Ｒ提高了两至三倍。     

含孔复合材料层合板的结构参数对其屈曲性能的影响

利用ABAQUS软件,建立了含孔复合材料层合板的有限元模型,在层合板四边简支,承受轴向压力载荷作用下,分析讨论了孔径/板宽比、铺层比例、铺层角度、材料性能等结构参数对层合板的线性屈曲的影响。结果表明,孔径/板宽比d/w越大,屈曲载荷越小,当d/w≤0.1时,可认为是小孔洞情况,可近似按无限大层合板处理;90°铺层(与载荷受力方向一致)比例越大,或0°铺层(与载荷受力方向垂直)比例越小,屈曲载荷越大,增加±45°铺层比例,有利于降低层合板各向异性程度;对于斜交对称铺层的层合板,铺层角度对其屈曲载荷影响很大,最大值与最小值相差13.05N;材料主方向结构性能参数差别较大时,屈曲载荷也相差较大,材料的结构性能参数对屈曲承载力具有明显的影响。     

横隔板增强型泡沫夹芯复合材料梁抗剪性能试验研究

复合材料泡沫夹芯结构易发生芯材剪切破坏,需对泡沫芯材进行增强。本文对比分析了不同增强泡沫夹芯结构的增强原理、芯材对界面性能和抗剪能力的贡献以及各自的局限;采用真空导入工艺制作了横隔板增强泡沫夹芯梁,并对其进行了剪跨比为3的三点弯试验,研究了横隔板及其间距对泡沫夹芯结构抗剪性能的影响。试验结果表明,横隔板的存在能有效提高构件的延性,且横隔板间距越小,延性越好,改善了泡沫夹芯结构脆性破坏的特性;但横隔板增强对夹芯梁强度和刚度的影响不大,该结果与垂直缝纫增强泡沫夹芯结构的试验结果类似。横隔板增强泡沫夹芯结构具有良好的设计性,其制作过程比较简单,可改变横隔板角度或采用双向隔板增强,从而在保持延性的优势下,提高其强度和刚度。