复合材料机械连接件的三维累积损伤研究

利用ABAQUS中的UMAT模块计算螺栓连接的三维累积损伤问题。采用最大应力准则、Hashin准则以及它们的混合准则三种损伤失效准则,并结合Tan提出的刚度降模型,对复合材料层合板机械连接件进行三维累积损伤模拟,同时考虑连接件是否受刚性的影响,最后将预测结果与试验值进行对比。结果表明,最大应力准则适用于拉伸破坏为主的连接结构,Hashin准则适用于剪切破坏占主导的连接结构。紧固件的刚度大小只影响连接结构的刚度,对失效强度的影响可以忽略不计。     

双模量复合材料层合结构承载极限的预测

基于三维连续介质损伤力学模型,针对双模量纤维增强树脂基(BFRP)复合材料层合结构提出了一种改进的渐进损伤分析方法。首先,根据双模量材料的双线性模型以及正交各向异性材料本构理论,给出了BFRP单层板的应力-应变关系描述方法。其次,采用Dvorak就位强度模型计算了单层板的就位强度。并且,采用三维Hashin强度准则以及指数型材料损伤演化准则描述层合板的内部损伤起始与演化,使用内聚力单元描述层间的力学行为。进而,借助Abaqus材料子程序Umat编写了BFRP层合结构的渐进损伤分析程序。通过与文献试验结果的比较验证了新方法的正确性。最后利用该方法,对某空间站BFRP臂杆结构的承载极限进行了仿真分析,得到了相应的预测结果。     

基于偏轴强度试验的复合材料失效准则评估

通过对复合材料单向板及单向铺叠厚板偏轴强度的预测与试验结果的对比研究,评估了5种失效准则对失效载荷及失效模式预测的准确性。使用各准则对Boron/AVCO5505材料单向板在多种偏轴角下的面内拉伸强度进行了计算,得到了极限应力随偏轴角度变化的曲线。对比试验结果,分析了各准则对单向板在复杂平面应力场下失效的预测能力。然后,基于对AS4/3501-6材料200层单向铺叠厚板的偏轴拉伸、压缩强度的计算结果与试验数据,分析了各准则对复合材料厚板在面外及层间耦合应力场下失效的预测能力。结果表明:各准则对单向板偏轴拉伸强度的预测都具有较高的精度,但除Puck、LaRC05准则外,Tsai-Wu、Hashin和Chang-Chang准则均无法很好预测损伤模式转变的界限;各准则对单向铺叠厚板沿面外方向的偏轴压缩强度的预测精度均不足,对面外拉伸强度的预测精度均较高,但预测的强度值随偏轴角增加而增大的趋势与试验结果不符。     

缝合复材层板损伤后压缩强度的数值计算方法

缝合复合材料在复合材料的厚度方向加入了缝线,不仅提高了层板的层间强度,抑制了分层的扩展,而且提高了受冲击后的压缩强度。采用开口等效法来模拟层板的初始损伤,用三维实体单元模拟层板,空间三维杆单元模拟缝线的增强作用,采用三维Hashin判据作为压缩时层板渐近损伤的失效判据,模拟缝合复合材料层板受冲击损伤后的压缩过程;得到层板的剩余压缩强度,与试验结果吻合较好。     

纤维金属层板铆接剩余强度影响因素研究

为研究单搭铆接接头中纤维金属层板耦合损伤行为,运用金属硬化Johnson-Cook失效准则、纤维增强复合材料三维Hashin损伤准则、脱层B-K失效理论以及刚度退化失效准则建立了纤维金属层板铆接渐进失效模型,并结合实验验证了模型的合理性。考察了单搭铆接二次弯曲效应、层板铝合金体积分数、预紧力、层板孔边距对纤维金属层板铆接强度和失效模式的影响,为提高纤维金属层板铆接剩余强度提供可靠建议。分析结果表明：二次弯曲效应加速损伤发生,从而降低层板铆接强度,其中偏心加载可以削弱二次弯曲效应,更好地提高铆接强度;层板铝合金体积分数的增大能够提高层板铆接强度,但当体积分数大于50%时层板铆接比刚度和比强度反而下降;预紧力的增加能够提高层板铆接强度和增强层板损伤抗力;随着孔边距的递增,铆接剩余强度有所提高,破坏模式由灾难性拉断失效模式逐渐转化为理想的挤压失效模式,但当孔边距达到一定数值时,铆接强度不再明显提高,而失效模式也维持为挤压破坏。     

层压复合材料剪切疲劳寿命预估

将Iosipescu剪切强度测试方法推广到剪切疲劳试验.以碳纤维/树脂基T300/QY8911复合材料层压板为研究对象,对三种多向铺层试件进行剪切疲劳试验.用一种疲劳损伤累积模型和自行开发的有限元/疲劳寿命分析程序预测被试多向层压板的剪切强度,模拟局部疲劳失效演变的过程,给出疲劳寿命和剩余强度预估结果,比较两种静强度准则(Tsai-Hill准则和Puck修正准则)对预估结果的影响.寿命预测结果与试验结果基本相符.     

剪切载荷下圆形和菱形开口层压板承载能力对比研究

基于剪切载荷工况,采用试验和数值计算模拟方法研究含圆形开口、菱形开口复合材料层压板承载能力及其失效模式。研究结果表明：层压板重量相同、开口可达性相同和铺层角度信息相同的前提下,菱形开口层压板承载能力大于圆形开口层压板承载能力;基于非线性连续介质损伤力学(CDM),采用最大应变失效准则预测纤维损伤、三维非线性Puck失效准则预测基体损伤,构建含开口层压板三维有限元模型并进行数值计算模拟,通过与试验结果对比,表明该模型能有效预测含开口层压板承载能力及其失效模式。     

低速冲击作用下层合板损伤试验研究与数值分析

参照标准试验方法,开展了层合板低速落锤冲击试验,获取了不同冲击能量下凹坑深度等试验数据,并对含冲击损伤层合板进行了剩余压缩强度试验。研究了凹坑深度-冲击能量、剩余压缩强度-凹坑深度的变化关系,并讨论了低速冲击过程中的损伤演变过程和层合板的压缩破坏模式。建立了层合板低速冲击损伤分析模型,分别采用Hashin失效准则和界面单元模拟单层失效与分层损伤,利用有限元分析了层合板低速冲击过程,得到了不同冲击能量下分层损伤面积。结果表明,凹坑深度可以较好地表征层合板抵抗冲击的能力,随着冲击能量的增大,剩余压缩强度随凹坑深度的增加而明显降低。有限元分析得到的分层损伤面积与含损伤层合板超声C扫描结果吻合较好。     

碳纤维复合材料低速冲击特性及损伤分析研究

针对碳纤维复合材料汽车保险杠的低速耐冲击性能问题,利用真空辅助树脂扩散成型工艺制备了不同铺层比例与铺层顺序的碳纤维复合材料试样,对其进行了简支梁低速冲击性能试验,根据低速冲击响应特性曲线及损伤模式探究了复合材料能量吸收机理;同时基于ABAQUS/Explicit对典型铺层试样建立了简支梁冲击仿真模型,利用Hashin失效准则进行失效判断,研究了低速冲击响应应力变化及损伤过程并将模拟结果与实验值进行了比较。研究结果表明:碳纤维复合材料简支梁低速冲击主要损伤模式为纤维断裂,通过增加(0,90)铺层能够提高接触力载荷与冲击韧性强度,通过在试样冲击表面铺设(±45)铺层能够缓解结构剧烈破坏。峰值载荷误差为5.1%,峰值位移误差为3.2%,证明了模型的有效性,为碳纤维复合材料保险杠提供了设计基础。     

Ti/CFRP/Ti夹层结构高速冲击数值模拟研究

以新型的Ti/CFRP/Ti(钛合金/碳纤维复合材料/钛合金)夹层结构材料为研究对象,基于Hashin准则和Johnson-Cook材料模型,采用有限元计算方法,建立了Ti/CFRP/Ti夹层结构的高速冲击损伤模型,讨论了冲击速度、芯层复合材料的铺层、前置钛板与后置钛板的厚度配置等因素对冲击响应的影响。结果表明:靶板吸能值随弹速增加而增大直至趋于稳定,结构的损伤与芯层复合材料铺层相关性较小,此外在面密度不变的前提下增加前置钛板的厚度降低后置钛板的厚度可以提高Ti/CFRP/Ti夹层结构吸能效果。     

复合材料层合板侵彻行为的计算机模拟

本文以复合材料层合板抗侵彻性能分析为目的,采用ABAQUS/Explicit建立了纤维增强复合材料层合板高速冲击有限元分析模型,结合Hashin失效准则进行损伤识别,给出了层合板在球形弹头冲击下的侵彻破坏特征和模态,获得了弹道极限速度。模拟结果与理论计算结果和已有实验结果吻合良好,证明了该方法合理有效,探讨了弹头形状、冲击速度和入射角等因素对层合板损伤的影响规律,获得了一些有价值的结论,可以为工程实际提供参考。     

层合复合材料板的低速冲击损伤及剩余压缩强度研究

针对复合材料层合板的冲击及冲击后的压缩破坏过程提出了一种全程分析方法。该方法应用三维逐渐累积损伤理论和分析技术,对层合板的冲击以及冲击后含损伤的层合板在压缩载荷下损伤扩展的全过程进行分析,分析中没有对冲击后层合板的损伤状态做人为假设,而是把冲击后层合板的预测损伤直接用于剩余压缩强度研究,从而不仅提高了最终失效载荷的预测精度,而且避免了为获得冲击后损伤状态参数所进行的大量试验,同时开发了模拟程序,该程序可以预测任意铺层角度、铺层厚度的层合板受外物冲击以及冲击后的损伤状态及在压缩载荷下的逐渐损伤破坏过程和最终失效载荷。通过与已有文献结果进行比较,验证了方法及程序的正确性。     

复合材料层合板压缩载荷下渐进损伤分析与试验验证

基于渐进损伤分析方法,建立了复合材料层合板的三维有限元模型。该模型包含应力分析求解、单元失效判定和损伤单元材料性能退化。采用了修正的带剪切非线性的Hashin准则作为单元的失效判据,使用Camanho模型对失效单元进行材料性能退化。通过编写用户自定义材料子程序(UMAT),实现了失效准则与材料退化准则在Abaqus中的应用。并对有限元模型进行了试验验证。计算值与试验值之间误差为8.7%。有限元计算得出的失效位置与失效模式和实验吻合很好,结果表明本文模型能合理进行层合板的强度预测和失效分析。     

基于复合材料层板稳定性的铺层参数优化设计方法

提出一种基于复合材料层板稳定性的铺层参数优化设计方法,首先利用最大应变能准则优化分层厚度,利用库塔条件推导出层合板单元厚度迭代公式优化单元厚度,两步交替进行,完成层板厚度与铺层比例优化;在此基础上采用遗传算法优化层合板铺层顺序,最终设计出满足稳定性要求的最佳层合板铺层.通过算例分析表明,文中方法与传统方法相比收敛速度明显提高.同时,最佳的厚度分布也为层合板加筋设计提供理论参考.     

复合材料加筋壁板剪切破坏试验与后屈曲分析

针对复合材料加筋壁板在剪切载荷下的稳定性和承载特性,开展了破坏试验和后屈曲分析方法的研究。基于三维Hashin准则和平方应力准则作为复合材料层板和界面胶层的失效判据及刚度退化策略,建立了考虑渐进损伤的剪切破坏分析模型,利用编制的用户自定义UMAT子程序,实现了在ABAQUS中的应用和承载能力的求解。与试验结果相比,结构承载能力和应变状态数值分析与试验值吻合良好,预测的破坏模式也与试验结果一致,屈曲载荷和承载能力相对误差分别为5.4%和3.5%,验证了该建模分析方法的有效性。     

碳纤维复合材料钻孔工艺与分层损伤研究

针对复合材料层合板层间剪切强度低,钻孔过程中轴向力较大,钻入口纤维层和钻出口纤维层处容易出现分层的问题,采用ABAQUS有限元分析软件,基于Hashin失效准则,以及双线性Cohesive损伤模型中的BK失效准则,对CFRP层合板的分层损伤进行模拟,研究钻头转速及进给量对分层损伤的影响。结果表明：钻削时进给量越大、转速越大,轴向力、扭矩和分层因子越大,分层损伤越严重。     

低速冲击下复合材料层合板分层损伤的数值模拟

为了分析冲击载荷作用时层合板的损伤情况,建立"子板-弹簧元"的三维有限元分析模型.在该模型中将连续铺层相同的单层作为一层合子板,相邻子板间采用弹簧单元连接.采用该模型对一层合板的冲击过程进行分析,分析过程中结合失效准则预测失效模式,然后定义对应的弹簧单元失效来实现材料性能参数的衰减.计算结果和试验结果吻合较好,同时得出一些有用的结论.     

Hashin准则的应力应变形式在复合材料渐进损伤计算中的对比

Hashin准则在复合材料渐进损伤分析中得到广泛应用,它的原始形式用应力表达,而在渐进损伤实际计算中用到了应变形式。推导了这两种形式下渐进损伤计算中需要的复合材料非线性本构关系及对应的切线刚度矩阵,对比分析了它们之间的不等价性。将这两种Hashin准则形式与不同损伤演化模型相结合,应用于开孔板的渐进损伤数值模拟,并与试验数据相对比。将Linde损伤演化模型分别与Hashin准则变形式和应力形式组合,前者的计算结果与试验值符合更好;将Sleight损伤演化模型与Hashin准则应力形式相结合,选取不同的衰减控制参数进行数值模拟,控制参数取0.8时比取其他值与试验结果符合更好。理论推导和数值模拟结果对复合材料渐进损伤实际应用中合理选取损伤准则形式和损伤演化模型有指导意义。     

复合材料缠绕压力容器冲击损伤分析

基于复合材料经典层合板理论和冲击动力学理论,采用Chang -Chang损伤准则对受低速冲击后的复合材料缠绕层进行损伤判定,并进行相应的刚度折减,分析复合材料纤维缠绕压力容器在冲击载荷作用下的动态响应和损伤状况.结合动力松弛法分析冲击能量对不同工作压力下复合材料缠绕压力容器抗冲击性能的影响,并对压力容器不同部位的抗冲击敏感性进行了相应研究,预测出压力容器的缠绕层损伤特征和最不利的冲击位置.     

复合材料多墙盒段后屈曲的破坏预测方法

目前复合材料垂尾已广泛运用在多种飞机型号上,为了保证结构安全,研究复合材料垂尾盒段的力学特性十分必要。建立在弯剪载荷下垂尾盒段屈曲和后屈曲的模型,重点研究了在弯剪载荷下后屈曲诱发的盒段蒙皮铺层间、蒙皮/缘条之间界面的失效问题;其中蒙皮铺层之间采用实体单元进行连接,连接界面采用二次应力准则作为损伤的起始判据,能量混合准则作为损伤的扩展判据,并且自定义损伤变量实现刚度的非线性衰减;蒙皮与缘条之间采用cohesive单元模拟胶层;复合材料壁板采用断裂面准则作为失效判据,该判据能有效判断基体的失效。该模型基于Abaqus动态显式分析步,屈曲模态、屈曲载荷、破坏形式与极限载荷与实验吻合良好,证明了该方法的有效性。